| 研究課題/領域番号 |
23K22669
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01398 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19010:流体工学関連
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| 研究機関 | 京都大学 (2023-2024)
名古屋大学 (2022) |
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研究代表者 |
長田 孝二 京都大学, 工学研究科, 教授 (50274501)
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| 研究分担者 |
渡邉 智昭 京都大学, 工学研究科, 准教授 (70772292)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2025年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2024年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2023年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2022年度: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
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| キーワード | 乱流 / 風洞実験 / 数値計算 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
高レイノルズ数、高マッハ数における定常／非定常乱流に対する粘性散逸率のスケーリング則を明らかにする。高レイノルズ数乱流生成手法として用いられる動的格子乱流の直接数値計算（DNS）を実施する。非定常乱流としては高速の周期乱れを導入できるルーバー装置を新規に製作し、乱流乱れと周期外乱の時間スケールが近い場合の散逸率を調べる。高マッハ数乱流に関しては、実験では複数の超音速噴流群を対向させた平均流のない圧縮性準一様等方性乱流の生成装置の開発と乱流場計測、数値解析においては圧縮性格子乱流の局所スケーリング則の評価を行う。
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| 研究実績の概要 |
1)粘性散逸スケーリング則の検証：代表者の異動に伴い、本課題で主に使用している風洞と動的格子の移設を行った。テストセクションはガラス製からアクリル製のものへ変更した。これにより、引き継続き当該課題研究を遂行することが可能となった。また、格子乱流のDNSデータベースを用いて局所粘性散逸率を評価した。この解析により、空間的な局所領域における粘性散逸率が非平衡スケーリング則に従うことを初めて明らかにした。
2)動的格子乱流（高レイノルズ数乱流）の直接数値計算（DNS）：DNSコードの開発が終了し、実験と定量的に一致する乱流場が生成されることを確認した。
3)定常／非定常格子乱流：主流が時間的に変化しない定常格子乱流については、格子近傍の非平衡領域における局所統計量の評価（手法については初年度の研究にて確立済）を行い、局所粘性散逸率の局所乱流レイノルズ数に対するスケーリング則を明らかにした。その結果、従来、格子乱流における平衡／非平衡性は格子からの距離に依存するとされていたが、局所統計量は格子からの距離に関わらず非平衡性を示すことが明らかとなった。この結果は国際誌（Physics of Fluids）に掲載された。さらに、主流が正弦状に変化する非定常格子乱流の実験を行い、瞬間速度を平均（一様）成分、周期成分、乱れ成分に分解した解析を行った。その結果、乱れ成分が平衡散逸則に従うことを明らかにした。
4)高マッハ数乱流：超音速噴流干渉により生成される準一様等方性乱流の特性を粒子画像流速計（PIV：本研究経費にて専用カメラと専用ソフトウェアを購入済）を用いて調査した。特に乱流エネルギーと粘性散逸率に注目し、散逸率が非平衡散逸スケーリング則に従うことを明らかにした。結果は国際誌（Experiments in Fluids）に掲載された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初の研究計画実施通りに研究を行い、それぞれ一定の成果を得ることができた。格子乱流場において、従来、粘性散逸率の平衡／非平衡性は格子からの距離に依存するとされていたが、局所統計量は格子からの距離に関わらず非平衡性を示すことが明らかとなった。この結果は国際誌（Physics of Fluids）に掲載された。また、超音速噴流干渉により生成される準一様等方性乱流場においても粘性散逸率の非平衡スケーリング則が成立することを実験的に示した。この成果は国際誌（Experiments in Fluids）に掲載された。
このように、複数の新たな成果が得られた。また、数値解析においても世界初となる動的格子乱流のDNSや超音速噴流干渉のDNSを進めており、今後も新規性のある結果が得られることが期待される。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究計画の変更や研究を遂行する上での問題点は特になく、これまでの研究の延長として以下の研究を実施する。
1)動的格子乱流の直接数値計算（DNS）：前年度までの研究によりDNSコードの開発が終了し、実験と定量的に一致する乱流場が生成されることを確認した。今後はより詳細な解析を行い、実験では評価が困難な三次元空間スペクトルやエネルギーフラックス、積分不変量などの統計量を評価し、乱流の減衰率との関連を調べる。
2)定常／非定常格子乱流：風洞実験において主流が正弦状に変化する非定常格子乱流の実験を行い、瞬間速度を平均（一様）成分、周期成分、乱れ成分に分解した際に乱れ成分が平衡散逸則に従うことを明らかにした。一方、装置の制約上、ルーバーの周期と振幅に限界があることが課題として残された。そこで新たなルーバー装置の開発を行い、より周期の短い非定常場での計測を行う。
3)高マッハ数乱流：新たな高マッハ数乱流生成装置を作成する。複数（36個）の超音速噴流群と同様のものを対向させ、平均流のない圧縮性準一様等方性乱流を生成する。生成される圧縮性乱流場の基礎データを粒子画像流速計（PIV）を用いて調査する。また、圧縮性格子乱流のDNSデータベースを用いて、前年度に行った解析と同様の局所粘
性散逸率のスケーリング則に及ぼす圧縮性の影響を明らかにする。ヘルムホルツ分解により速度変動成分の分解を行い、圧縮成分と非圧縮成分のそれぞれの振る舞いを明らかにする。
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