乱流要素渦による乱流理論・予測・制御の新展開

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12125101
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 木田 重雄 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 教授 (70093234)
• 研究分担者: 三宅 裕 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50029005) ; 新野 宏 東京大学, 海洋研究所, 助教授 (90272525) ; 西岡 通男 大阪府立大学, 大学院・工学研究科, 教授 (60081444) ; 近藤 次郎 国際科学技術財団, 理事長 ; 宮嵜 武 電気通信大学, 大学院・電気通信学研究科, 教授 (50142097)
• キーワード: 乱流 / 要素渦 / 乱流理論 / 乱流予測 / 乱流制御

研究概要

乱流要素渦に基づく乱流の理論,予測および制御の研究を分野ごとに分けた4つの研究班が互いに緊密な連携を図りながら進めてきた。主たる研究成果を研究班ごとにまとめる。
(1)「乱流要素渦の構造と力学」要素渦の構造と物理特性のレイノルズ数依存性,個々の渦の形成,成長および崩壊過程を解析するための渦の自動追跡法,流れによる物質拡散や混合過程の定量化を目的とした渦による流体線や流体面の変形伸張の解析,回転や剪断,壁面境界と渦との相互作用,および圧縮性の影響,等を明らかにした。
(2)「乱流要素渦と組織構造の形成と発達」要素渦の発生に関する実験で,乱流変動がストリークを励起する過程やストリーク構造の不安定現象を捉えた。回転一様剪断流体中で局所的なシアー・コリオリ不安定の非線形現象を明らかにした。超音速混合促進制御に関し,縦渦列の干渉現象や超音速キャビティ振動現象を明らかにし,柔毛の抵抗体モデルの妥当性を数値計算で確認した.
(3)「環境乱流の構造と乱流要素渦」竜巻とポーラーロウを数値計算で再現し、渦の中心に流入する流跡線に沿って渦度収支を解析した。安定な密度成層流体中に二重拡散効果により形成される多層構造の乱流状対流の構造を明らかにした。f-面上の発散準地衡乱流では,慣性領域での運動エネルギースペクトル形が発散によらないことを示した。風波水槽実験により、うねりは風波気液界面の表面更新乱流要素渦の発生周波数を減少させ、物質交換速度を減少させることを示した。
(4)「乱流の予測制御と乱流要素渦」壁乱流の渦構造解析では,スパン方向の領域制限による縦渦から横渦への主構造の変化,剪断乱流の非等方性と要素渦の空間分布の関係,圧力勾配に対する縦渦構造の応答を明らかにした。剪断乱流のアクティブ・フィードバック制御においては,要素デバイスの開発,GA手法によるアルゴリズムの構築を行い,円管内乱流で検証した。

研究成果

• [文献書誌] G.Kawahara: "Periodic motion embedded in plane Couette turbulence : Generation cycle and burst"J.Fluid Mech.. 449. 291-300 (2001)
• [文献書誌] S.Kida: "Line statistics : Stretching rate of passive lines in turbulence"Phys.Fluids. 14. 352-361 (2002)
• [文献書誌] S.Goto: "Multiplicative process of material line stretching by turbulence"J.of Turbulence. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] 木田重雄: "回転熱対流渦による磁力線の伸張強化"プラズマ・核融合学会誌. 77. 355-362 (2001)
• [文献書誌] S.Kida: "Vortical Structure of Turbulence"Proc.XX International Congress of Theoretical and Applied Mechanics. 445-456 (2001)
• [文献書誌] H.Miura: "Analysis of vortex structures in a compressible isotropic turbulence"Computer Physics Communications. (in print). (2002)
• [文献書誌] 須浪徹治: "超音速縦渦列間の干渉を用いた超音速混合の制御"日本流体力学会誌 ながれ. 20. 316-324 (2001)
• [文献書誌] 高井知奈: "翼端渦と平面壁の干渉に関する実験的研究"日本流体力学会誌 ながれ. 20. 501-504 (2001)
• [文献書誌] M.Nishioka: "On the mechanism of supersonic cavity flow oscillations"Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics 2001. 153-163 (2001)
• [文献書誌] Y.Murakami: "Two-dimensional direct numerical simulation of parametrically excited surface waves in viscous fluid"Physics of Fluids. 13. 65-74 (2001)
• [文献書誌] S.Yanase: "Rotating magnetohydrodynamic free-shear flows.1. Linear stability analysis"Phys.Fluids. 13. 1946-1955 (2001)
• [文献書誌] S.Yanase: "Three-dimensional vortical structures in the backward facing step flow"J.Phys.Soc.Japan. 70. 3550-3555 (2001)
• [文献書誌] M.Asai: "Instability and Breakdown of a Near-Wall Low-Speed Streak"J.Fluid Mech.. 455. 289-314 (2002)
• [文献書誌] 柳瀬 亘: "日本海のポーラーロウの構造と発達機構(雲解像モデルによるシミュレーションと感度実験)"月刊海洋. 34. 129-135 (2001)
• [文献書誌] 新野 宏: "竜巻を生ずる積乱雲の数値シミュレーション"計算工学. 6. 328-331 (2001)
• [文献書誌] 新野 宏: "大気の対流と渦の数値シミュレーション"日本数値流体力学会誌. 9. 141-152 (2001)
• [文献書誌] A.Mori: "Time evolution of nonlinear horizontal convection : Its flow reimes and self-similar solutions"J.Atmos.Sci.. (in print). (2002)
• [文献書誌] M.K.Yoshioka: "Significance of non-rotationalwind stress in the seasonal variation of continental torque"Tellus. (in print). (2002)
• [文献書誌] 新野 宏: "防災・生活情報のためのメソ気象学"天気. 49. 13-22 (2002)
• [文献書誌] Y.Miyake: "Direct Numerical Simulation of Rough-Wall Heat Transfer in a Turbulent Channel Flow"Int.J.Heat Fluid Flow. 22. 237-244 (2001)
• [文献書誌] Y.Miyake: "Turbulence Property in the Near-Wall Layer"Comput.Fluid Dyn.J.. 10. 286-294 (2001)
• [文献書誌] Y.Li: "Sound Generation in Compressible Mixing Layers"JSME International Journal, Series B. 44. 505-512 (2001)
• [文献書誌] M.Tanahashi: "Appearance and Alignment with Strain Rate of Coherent Fine Scale Eddies in Turbulent Mixing Layer"J.of Turbulence. 2(paper No). 6 (2001)
• [文献書誌] T.Endo: "Active Control of Wall Turbulence with Wall Deformation"JSME Int.J.. 44. 195-203 (2001)
• [文献書誌] 梶島岳夫: "流体・固体混相流に見られるパターン"機械の研究. 54. 132-137 (2002)