多点速度と変動圧力の同時測定に基づく乱流微細構造と普遍法則の解明

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13650175
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 辻 義之 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00252255)
• キーワード: 乱流 / 変動圧力 / 普遍法則 / 微細構造

研究概要

流体運動の基礎方程式から明らかなように、渦度分布とエネルギー散逸率の分布は、変動圧力場と密接に関連している。しかし、従来の実験的研究は渦度測定およびエネルギー散逸率の測定に重点がおかれ、それらの情報のみから乱流の普遍構造を理解してきた。これは偏に変動圧力測定が技術的に大変困難であり、かつデータ解析には十分な経験が要求されるためである。一方、近年の等方性乱流の数値計算では、一般の室内実験で達成できるレイノルズ数に迫るR_λ〜400が実現されている。数値計算では圧力場は完全に把握できることから、詳細な解析が続々と報告されている。ここで議論する普遍法則とは、例えば、変動圧力のエネルギースペクトル型がある。Kolmogorovは慣性領域における圧力スペクトルのベキ指数が-7/3乗であることを今から50年以上前に推測している。そしてその後の実験的研究は、必ずKolmogorovの仮説に従い、指数が-7/3乗になることを報告してきた。しかし、最大規模の数値計算は、指数が-7/3乗とはならず-5/3乗に極めてちかくなることを明らかにした。本研究では、変動静圧の高精度の計測法を確立し、エネルギースペクトルに-7/3乗則が確かに存在することを実験的に示した。また、計測上の問題となるヘルムホルツ共振、内部共鳴を数値的に除去する方法を考案した。マイクロファオンおよび圧力トランスデューサを併用し、微小変動圧の計測を約5kHzまで可能にした。
これらの測定方法を円柱後流におけるエネルギー収支の定量的評価に用いた。従来では圧力拡散項を直接測定することが出来なかったが、本手法によりそれが実現された。乱流場の微細渦構造に着いては、現在も解析を進めている段階である。時間分解能に関しては改良がなされたが、空間分解能に着いては、今後も改善できるように研究を進めていく予定である。

研究成果

• [文献書誌] Yoshiyuki Tsuji: "Anisotropy versus Universality in Shear Flow Turbulence"Statistical Theories and Computational Approaches to Turbulence. 138-158 (2002)
• [文献書誌] Takahiro Ito, Yoshiyuki Tsuji et al.: "Application of Ultrasonic Velocity Profile Meter to Vortex Sheddeng and......"Experiments in Fluids. 31. 324-335 (2001)
• [文献書誌] 辻 義之, 宮地 圭, 中村育雄: "平板乱流境界層対数速度分布領域における変動速度確率密度関数の特性"日本機械学会論文集B偏. 68・667. 785-792 (2002)
• [文献書誌] 辻 義之, 他3名: "自由界面上のリップル形成に関する実験的研究"日本機械学会論文集B偏. 68・671. 1841-1848 (2002)
• [文献書誌] Yoshiyuki Tsuji et al.: "Invariant Assumption of pdf Profiles in the Log-law Region in Smooth and..."Proceedings of Turbulent Shear Flow Phenomena, KTH 2002. Vol.II. 509-512 (2002)
• [文献書誌] Yoshiyuki Tsuji: "Similarity Scaling and Statistics of Pressure Fluctuation in Turbulence"Proceedings of IUTAM Symposium, Princeton University. 1-2 (2002)