壁乱流の構造と音場の研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11305018
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 三宅 裕 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50029005)
• 研究分担者: 太田 貴士 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10273583) ; 辻本 公一 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10243180) ; 梶島 岳夫 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30185772)
• キーワード: Wall turbulence / Vortical system / Streaks / Turbulence noise / Rough wall / Noise propagation / Acoustic source

研究概要

大規模数値シミュレーションによって壁乱流の構造解析を実施するとともに別途研究を進めた音場解析手法を壁乱流渦構造に適用して乱流騒音発生の機構を考察した。壁乱流の構造解析では緩衝層外縁以下の壁近接層で乱れが上方の乱れに依存しない自立性を持ちその構造がそれぞれの壁条件ごとに普遍的であることを実証した。一方、緩衝層上方の対数領域では乱れは壁近接域の乱れとは独立な相似性があり、粗面壁、抗力低減壁に関係なく壁面抗力の大きさのみに依存する普遍性をもつことが明らかとなった。この遠方領域の乱れは壁近接域とは異質な大スケールのストリーク構造で特徴づけられることがわかり、その成因と乱れの機構を解析した。その結果、低速ストリーク内は乱れの活性域で、多くのもつれた渦要素を含み、乱流せん断応力が大きくなる領域で、高速ストリーク域は逆に乱れと要素渦の空白域であることがわかった。その成因を調べるため、壁近接域に種となる縦渦対を導入し、その発達過程を数値的に追跡した。その結果、注入された縦渦対はヘアピン渦に成長し、渦頭部の下流側に後流様の低速ストリークを形成し、このストリーク周辺のせん断層が二次ヘアピン渦を次々に生成して発達させ、これがヘルムホルツ不安定によって崩壊して、集中した渦群を形成することがわかった。一方、音場解析では音源の特定を目標に音源部流れを音場部分を分離しながら統一的に解く高精度な解法を開発し、このときに生じる境界の厳密的な取り扱いに工夫を行った。その結果、信頼度の高い乱流音解析コードが完成した。これを用いてすでに求めた壁乱流の音場を解析した結果、リブナー音源に音源を有効に特定することができること、音源場から音場への移行に極めて短い距離で完了すること、したがってその間の音圧場の減衰は極め急速であることがわかった。

研究成果

• [文献書誌] 竹内伸太郎,三宅 裕,梶島岳夫,青木誠司: "円形ノズルからの乱流噴流の直接シミュレーション"日本機械学会論文集B編. 65・640. 3918-3925 (1999)
• [文献書誌] 三宅 裕,辻本公一,懸 康明: "粗さ要素モデルによる粗面溝乱流のDNS"日本機械学会論文集B編. 65・633. 1613-1620 (1999)
• [文献書誌] Shintaro Takeuchi,Yutaka Miyake and Takeo Kajishima: "ON THE NUMERICAL SIMULATION OF ROUND JETS OF INCOMPRESSIBLE FLUID"ASME FED, FEDSM99-6957, San Francisco, California,USA. (1999)
• [文献書誌] Takashi Ohta, Yutaka Miyake and Takeo Kajishima: "On the region affected by the wall undulation in a turbulent flow through an asymmetric channel"Computational Fluid Dynamics Journal. 8・3. 427-435 (1999)
• [文献書誌] Koichi Tsujimoto, Yutaka Miyake, Takeshi Yoshikawa and Takeshi Morikawa: "Analysis of Clusterization of Quasi-Streamwise Vortices in Near-Wall Turbulence"JSME. International Journal, Series. B.. 42・2. 162-170 (1999)
• [文献書誌] K.Tsujimoto and Y.Miyake: "IDENTIFICATION OF STRONG,NEAR-WALL QUASI-STREAMWISE VORTICES AND THEIR BEHAVIOR"Proceedings of the IUTAM Simulation held in Lyngby.Denmark. 25-29 (1997)