| 研究課題/領域番号 |
17K06160
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| 研究機関 | 山口大学 |
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研究代表者 |
望月 信介 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (70190957)
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| 研究分担者 |
鈴木 博貴 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (10626873)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 境界層 / 乱流 / エントレインメント / 大規模渦 / 乱れ生成 / 散逸機構 / 乱流拡散 |
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| 研究実績の概要 |
研究2年目は乱流境界層の外層において、乱流ー非乱流の識別とその後の解析に向けたデータ解析を行った。解析を行った流れ場は自己相似性の成立する順圧力勾配下の二次元乱流境界層である。この流れ場は流れ方向の圧力勾配（順圧力勾配）を推進力として、エントレインメント（巻き込み）を全く必要としない状態で維持できるように設定が行われているものである。エントレインメントと乱流ー非乱流の識別解析を行う前に、時間平均構造、特にエネルギー収支についての詳細な定量的調査を実施した。エントレインメントを必要としない状態では、乱れ生成と散逸とがバランスし、それにより対数速度分布が成立することが確認された。順圧力勾配により対数速度分布に観察される後流成分が消滅することが発見された。後流成分は境界層のエントレインメントとの関係が指摘されているものの、直接的関係は解明されておらず、境界層のエネルギー収支解明において極めて重要な事実である。乱れエネルギー方程式の収支が評価され、拡散項の寄与が抑制されていることが判明した。乱流拡散は渦度の拡散と関係し、エントレインメントとも密接な関係をもつことが期待される。乱流拡散項の低減は変動速度の三重速度相関の低減によるものであることが明らかになった。
後流成分が観察される外層において乱流ー非乱流の識別と条件付き平均操作による分析が行われた。後流成分が観察されず、エントレインメントが無い状態においても、乱流ー非乱流の界面を形成する乱流バルジが存在することが確認された。これは極めて興味深い結果であり、エントレインメントと乱流バルジの形状とは直接に関係がないこと、大規模渦の運動がエントレインメントの大きさを左右することが示唆され、今後の研究への重要な知見が得られた。
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| 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
2年目までの達成目標に対して、目標以上に進展したものと若干遅れているものがある。目標以上に進展した内容は、境界層内のエネルギー収支機構と乱流ー非乱流界面の挙動との関係である。これらについては、壁面せん断応力の大きさを圧力勾配下においても定量的に評価できたことが大きな要因となっている。壁面せん断応力は境界層への仕事としてエネルギー収支に影響を与えるため、エントレインメント量の物理的意味を考察するうえで重要な物理量であり、信頼できる値が直接測定やサブレイヤープレートにより計測できたことが予想以上の成果をもたらした。
このような発見により、エネルギー散逸機構、乱れエネルギースペクトルなどの機構を調査する必要が生じ、大規模渦構造の抽出などは遅れている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は乱流ー非乱流界面においてエネルギー変換に寄与する大規模渦構造の抽出を推進する。
まず、乱流ー非乱流の識別に基づき、渦構造の抽出と領域平均とを行い、統計量を算出する。その他、PODなどの解析を適用することで、エネルギー含有渦を抽出し、エネルギー収支との関係を考察する。
2年間の研究で最も注目すべき発見は、エントレインメントが無い状態で後流成分が観察されなかったこと、それにも関わらず乱流-非乱流界面に沿った乱流バルジの存在が示唆された結果である。この発見に対して、エントレインメントを担う渦の形態、その渦と乱れ生成、散逸および拡散との関係を明らかにしていく。具体的には、抽出された大規模渦の位相平均を行い、渦とともに移動する座標系から観察した流れを描き、流体の動きとその乱流ー非乱流界面との相対的関係を明らかにすることである。以下のような手順で進めたいと考えている。①乱流ー非乱流界面に沿った大規模渦の抽出を行う、②位相平均により渦構造の標本平均を行う、③渦構造に描かれた流線分布とエネルギー収支との関係を考察する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
エネルギー収支の調査において、新しい発見により詳細な解析を行う必要があり、そのために大規模渦の抽出が遅れた。そのため次年度使用額が発生した。これについては、大規模渦の抽出に関する解析、その公表と検討を行う旅費などに使用する予定である。
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