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本年度はレイノルズ平均モデル(RANS)とラージ・エディ・シミュレーション(LES)のハイブリッド乱流計算における境界面の乱れ生成のモデリングの研究として以下の2項目について研究を実施した。
1. スケール空間のエネルギー輸送に伴う渦構造とハイブリッド計算
さまざまなスケールの渦運動に伴う速度場を区別して扱うために、二点速度相関にフィルター関数による積分を施すことによって、スケール空間における新たなエネルギー密度を提案し、エネルギーの輸送方程式を定式化した。チャネル乱流の直接数値計算(DNS)のデータを用いて検証を行い、スケール間のエネルギー輸送の解析を行った。その結果多くの部分でエネルギーの順カスケードが起こっているが、壁付近の一部のエネルギー成分には逆向きのカスケードが見られることがわかった。そこで条件付平均の手法を用いて、逆カスケードに伴う渦構造を抽出し、大スケールの渦が駆動される機構について考察した。また渦に伴う流れが壁に衝突するところでも逆カスケードが起こることがわかった。これらの成果を用いて、ハイブリッド乱流計算においてRANS領域からLES領域へ切り変わる境界面で、縦渦が維持され乱れ速度が適切に生成されるための付加項を設定し、チャネル乱流のハイブリッド計算を行った。
2. 乱れ生成のための非等方LESモデルと非線形渦粘性モデルの検証と改良
LES領域からRANS領域へ切り替わるときに、縦渦構造が消されず適切な乱流生成が維持されるモデルの候補として、通常の渦粘性モデルと散逸が変わらない非等方LESモデルに着目し、その物理的役割を考察した。また適切な非線形モデルの導出のためにレイノルズ応力の平方根テンソルを導入し、実現性条件を満たすモデルを求め検証した。これらの成果はRANS領域とLES領域の境界面で乱れ速度を生成する手法を開発する上で重要となる。
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