剥離流れにおける大規模渦の動的挙動と熱輸送機構の直接数値シミュレーション

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650190
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 太田 照和 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00006678)
• 研究分担者: 吉川 浩行 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (40221668)
• キーワード: 剥離流れ / 再付着流れ / 対流熱伝達 / 直接シミュレーヨン / 馬蹄形渦 / 平面上突起物

研究概要

平面上に設置された単一の直方体突起物ならびに複数個の直方体突起物が種々に配列されている場合について、それら物体まわりの三次元非定常剥離流れおよび突起物表面からの熱伝達特性をナビエ・ストークス方程式およびエネルギー方程式の直接数値シミュレーションにより解明してきている。流れの剥離の様相を正確に把握するために、対流項には5次精度の差分法を採用するなど工夫をこらしている。本年度までに得られた結果を要約すると次のようになる。
1.直方体突起物まわりには馬蹄形渦が形成され、その数はレイノルズ数の増加とともに2個から6個まで変化し、流れの様相は著しく変化する。これらは実験的に得られている結果をきわめて良く再現している。
2.直方体突起の角から流れが剥離し、剥離した剪断層は大規模渦塊に生長しながら、下流に放出される。馬蹄形渦と放出された大規模渦塊は互に干渉しながら下流に向かって流れるため、直方体突起物周囲の流れは複雑をきわめることが示されている。
3.直方体突起表面からの熱伝達特性は、レイノルズ数の増加に伴う馬蹄形渦の個数の変化、周囲に形成される循環領域によってレイノルズ数とともに著しく変化する。
4.レイノルズ数が1000にまで増加すると、馬蹄形渦と突起面からの剥離剪断層が不安定となり、大規模渦が放出されるなど流れの非定常性が著しく強くなるために、直方体突起表面からの熱伝達は時間と共に大きく変化するようになる。
5.正方形流路内に設置された鈍頭平板まわりの剥離と再付着を伴う流れおよび熱伝達のDNSにより、側壁近傍に形成される馬蹄形渦、流路中央部に形成されるヘアピン渦の構造と熱伝達特性との関連を明白にした。

研究成果

• [文献書誌] H.Yoshikawa, T.Ota et al.: "Numerical Simulation of Three-Dimentional Separated Flow Around Surface-Mounted Rectangular Blocks in a Channel"Proc.PSFVIP-3. F3009 (2001)
• [文献書誌] T.Ota et al.: "Horseshoe Vortices Around Surface-Mounted Rectangular Blocks"Proc.PSFVIP-3. F3008 (2001)
• [文献書誌] T.Ota et al.: "Large Eddy Simulation of Air Ion Concentration in a clean Room"Proc.ASME FEDSM'01. FEDSM2001-18062 (2001)
• [文献書誌] H.Yoshikawa, T.Ota et al.: "LES of Turbulent Speparated and Reattached Flow Around Slender Rectangular Cylinders"Proc.ASME FEDSM'01. FEDM2001-11821 (2001)
• [文献書誌] T.Ota, T.Kon: "Turbulent Heat Transfer in Separated and Reattached Flow on a Blunt Flat Plate"Proc.ExHFT-5. 1921-1926 (2001)
• [文献書誌] H.Yoshikawa, T.Ota et al.: "Nmerical Simulation of Laminar Flow and Heat Transfer Over a Blunt Flat Plate in Square Channel"Trans.ASME J.Heat Transfer. 124. 1-9 (2002)