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貫通壁チャネル乱流における熱・運動量輸送の究極状態の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23KF0116
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金
応募区分外国
審査区分 小区分19010:流体工学関連
研究機関大阪大学

研究代表者

河原 源太  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (50214672)

研究分担者 CHAN CHI  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 外国人特別研究員
研究期間 (年度) 2023-07-26 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2025年度: 400千円 (直接経費: 400千円)
2024年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2023年度: 500千円 (直接経費: 500千円)
キーワード乱流熱伝達 / 究極状態
研究開始時の研究の概要

乱流状態では活発な運動量や熱の輸送が実現されるが,壁面近傍においては流体の粘性と熱伝導が運動量や熱の輸送を支配するため,そこでの運動量や熱の輸送を格段に向上させることは困難とされてきた.本研究では,壁面に特殊な工夫を凝らすことにより,壁面上での粘性や熱伝導に起因した限界を克服し,壁面での摩擦や熱流束が粘性や熱伝導に依存せず著しく大きな値をとる究極的な乱流状態を達成する.Chan博士が推進してきた壁面上の突起列によるチャネル乱流の伝熱促進に関する研究と,受入研究者が展開してきた熱対流乱流やチャネル乱流への多孔質壁の導入による伝熱促進に関する研究とを総合して,チャネル乱流の究極状態を実現する.

研究実績の概要

本研究は,スペクトル要素法に基づく直接数値シミュレーションプログラムNek5000を用いて,京都大学学術情報メディアセンタースーパーコンピュータシステムにおいて実施した.
まず,Chan博士が取り組んできた壁面への高い突起列の配置や受入研究者が検討している壁面への深い溝の導入によって,チャネル乱流の伝熱促進を試みた.シミュレーションの結果,突起や溝の導入によって,乱流中に大規模な構造が現れ,チャネル乱流の伝熱が大きく増進されることが明らかとなった.そこで,この大規模乱流構造による伝熱促進メカニズムを,受入研究者が研究してきた多孔質壁上の貫通性による伝熱促進現象として追求した.
この貫通性の観点から突起列や溝の性状を最適化し,チャネル乱流での究極状態を実現し得る性状を探求した.このような性状を付与したチャネル乱流の直接数値シミュレーションはスーパーコンピューターを使用しても計算負荷が高いため,究極状態が達成されると期待できる高いレイノルズ数での計算結果はまだ得られていない.現在は,壁面の貫通性の観点で最適された性状を有する突起列や溝に対する乱流場の数値計算結果をレイノルズ数を一歩一歩着実に向上させながら追跡しているところである.このように最適化された突起列や溝の性状をチャネル乱流に導入することで,壁面に垂直な流動を各段に増強し,それにより著しい伝熱促進を達成し,チャネル乱流における究極状態の実現を目指している.

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

本研究の第一段階として,スペクトル要素法に基づく直接数値シミュレーションプログラムNek5000を京都大学学術情報メディアセンタースーパーコンピュータシステムに導入し,壁面への高い突起列の配置や深い溝の導入を実施したチャネル乱流の直接数値シミュレーションを実現し,突起列の配置や溝の導入によって実際にチャネル乱流の伝熱促進を達成したことから,順調に研究が進捗していると判断する.

今後の研究の推進方策

今後は、引き続きスペクトル要素法に基づく直接数値シミュレーションプログラムNek5000を用いて,京都大学学術情報メディアセンタースーパーコンピュータシステムにおいて数値計算を実施し,貫通性の観点から突起列や溝の性状を最適化し,チャネル乱流での究極状態を実現し得る性状を探求する.貫通性の観点で最適された性状を有する突起列や溝に対する乱流場の数値計算結果をレイノルズ数を一歩一歩着実に向上させながら追跡し,突起列や溝の性状をチャネル乱流に導入することで壁面に垂直な流動を各段に増強し,それにより著しい伝熱促進を達成し,チャネル乱流における究極状態の実現を目指す.

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (6件)

すべて 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 5件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Homoclinic bifurcation and switching of edge state in plane Couette flow2023

    • 著者名/発表者名
      Lustro Julius Rhoan T.、Shimizu Yudai、Kawahara Genta
    • 雑誌名

      Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science

      巻: 33 号: 6

    • DOI

      10.1063/5.0133492

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Characterisation of multiscale turbulence in terms of invariant solutions2023

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Genta
    • 学会等名
      Monash University Seminar
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultimate states of wall-bounded convective and sheared turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Genta
    • 学会等名
      University of Melbourne Semina
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Invariant solutions representing extreme behaviour in turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Genta
    • 学会等名
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultimate heat transfer in wall-bounded convective and sheared turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Genta
    • 学会等名
      The 6th Symposium on Fluid-Structure-Sound Interactions and Control
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Super-ultimate behaviour of turbulent thermal convection2023

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Genta
    • 学会等名
      2nd International Symposium on Advances in Aerodynamics
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2023-07-27   更新日: 2024-12-25  

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