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2017 年度 実績報告書

亜臨界乱流遷移におけるグローバル安定性と大規模間欠構造の複雑流への研究展開

研究課題

研究課題/領域番号 16H06066
研究機関東京理科大学

研究代表者

塚原 隆裕  東京理科大学, 理工学部機械工学科, 准教授 (60516186)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード亜臨界遷移 / 壁乱流 / DNS / 乱流縞 / 粘弾性流体
研究実績の概要

亜臨界乱流遷移において局在乱流の重要性が注目されており,本研究では閉空間の壁乱流を対象として,局在乱流が縞状または帯状に持続する大規模間欠構造について直接数値計算(DNS)により調査している.本研究では,複雑化した流れ(粗面壁面・粘弾性流体・固液二相流)における大規模間欠構造のロバスト性,及び下臨界レイノルズ数(グローバル不安定性)と変化の解明を目的として,DNS解析を進めている.
本年度は,粗面平面クエット流を対象に,Navier-Stokes方程式中に粗さ要素による仮想抵抗力項を付加したシミュレーションにより,粗面上の遷移域流れが多様な流動形態を呈することを見出した.特に粗さ高さの大きい場合には,局在乱流が主流に対して垂直に(スパン方向に)一様な分布を呈し,transverse bandと名付けた.粘弾性流体の数値計算にはGiesekus粘弾性モデル構成方程式を用いて,回転系平面クエット流の解析を行い,粘弾性流体特有の非定常状態に至る過程を調査した.ワイゼンベルグ数増加に伴い,波状ロールセルが直線的ロールセルへと変形したり,さらには定常ロールセルが一定の時間周期で拍動し始める様子を捉えることに成功した.各現象それぞれ,粘弾性流体乱流で観察される乱流抑制効果または弾性乱流の解明につながる発見である.また,乱流縞への影響も調査が進んでいる.固液二相流については,2-wayカップリングによるDNSコードの開発を行い,重い分散性粒子を含むと乱流縞の規則的パターンが崩壊する様子を捉えることに成功した.つまり,固液二相流における乱流縞遷移過程のロバスト性を調査する範囲を特定できた.水路(環状流路と粘弾性流体回転クエット流)による観察実験も開始し,DNSの結果を定性的に裏付ける傾向が確認できている.以上の結果は国内外の学会にて報告し,また英文学術雑誌に論文を投稿中である.

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

各種複雑流についてDNS解析がおおむね順調に進んでおり,英文学術雑誌での論文発表の点では,粗面平面クエット流について1件掲載済みと1件査読中,粘弾性流体について2件査読中の投稿論文が査読中である.固液二相流については,2018年度に国際会議口頭発表を予定している.

今後の研究の推進方策

粗面壁面・粘弾性流体・固液二相流の各解析対象について,それぞれ大学院生の協力も得ながら進めていく.これらの結果に基づき,包括的な議論にも展開していきたい.また,人工ニューラルネットワークや畳込みニューラルネットワークなどの機械学習を取り入れて,パターン形成の特徴抽出にも挑みたい.

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2017 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 5件)

  • [国際共同研究] CNRS(France)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CNRS
  • [国際共同研究] KTH(Sweden)

    • 国名
      スウェーデン
    • 外国機関名
      KTH
  • [雑誌論文] Laminar-turbulent patterns with rough walls2017

    • 著者名/発表者名
      Ishida Takahiro, Brethouwer Geert, Duguet Yohann, Tsukahara Takahiro
    • 雑誌名

      Physical Review Fluids

      巻: 2 ページ: ―

    • DOI

      10.1103/PhysRevFluids.2.073901

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Turbulent bifurcations in intermittent shear flows: From puffs to oblique stripes2017

    • 著者名/発表者名
      Ishida Takahiro, Duguet Yohann, Tsukahara Takahiro
    • 雑誌名

      Physical Review Fluids

      巻: 2 ページ: ―

    • DOI

      10.1103/PhysRevFluids.2.073902

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Laminar-turbulent pattern in plane Couette flow with one roughened wall2017

    • 著者名/発表者名
      T. Tsukahara, T. Ishida, G. Brethouwer, Y. Duguet
    • 学会等名
      The Ninth JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Modulated roll cells in rotating plane Couette flow of viscoelastic fluid2017

    • 著者名/発表者名
      T. Nimura, T. Ishida, T. Kawata, T. Tsukahara
    • 学会等名
      The 10th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
    • 国際学会
  • [学会発表] Turbulent band in rotating plane Couette flow of viscoelastic fluid2017

    • 著者名/発表者名
      T. Nimura, T. Tsukahara
    • 学会等名
      The 16th EUROMECH European Turbulence Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Viscoelastic effect on roll cells in rotating plane Couette flow2017

    • 著者名/発表者名
      T. Nimura, T. Tsukahara
    • 学会等名
      The 7th International Symposium Bifurcations and Instabilities in Fluid Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Robustness and universality of turbulent stripe2017

    • 著者名/発表者名
      T. Tsukahara, T. Ishida
    • 学会等名
      The 61st Workshop on Investigation and Control of Transition to Turbulence
    • 国際学会
  • [学会発表] 環状チャネル流の局在乱流パターニング:円管とチャネルのホモトピー2017

    • 著者名/発表者名
      塚原 隆裕,石田 貴大,DUGUET Yohann
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2017
  • [学会発表] 回転平面クエット流中のロールセルに対する粘弾性応答のDNS解析2017

    • 著者名/発表者名
      仁村 友洋,河田 卓也,塚原 隆裕
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2017

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公開日: 2018-12-17  

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