乱流と微小粒子群の相互作用に関する基礎的研究

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K03925
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 渡邊 威 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30345946)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 固体粒子 / 乱流 / 大規模計算

研究実績の概要

固体粒子群と乱流の相互作用による乱流場の変形や，その粒子群の挙動への影響を定量的に解析し，その性質を理解することは気象・海洋分野や環境学的流れ，あるいは様々な工学分野で観察される混相乱流の性質を理解する上で大変重要なテーマである．小さな固体粒子群の乱流中での振る舞いや，粒子群による乱流場の変形を数値解析する際には，粒子を質点近似して扱うことが多い．これは計算コストがかからない有効な計算手法である反面，質点近似することで粒子周りの流れの詳細を正確に取り扱っていない側面もあり，その精度や妥当性については不確かな部分も多い．
本研究課題の目的は，質点近似した粒子群による乱流場の変形が物理的にどの程度妥当であるかを検証することにある．そのために，質点近似粒子を用いない，有限サイズの粒子群と乱流の相互作用に関する計算を質点近似粒子と同じ物理条件下で実行し，両者の結果を比較検討することで，質点近似の取り扱いに関する妥当性や問題点を明らかにすることを目指した．有限サイズ固体粒子群と流れのカップリング法として，本研究ではVolume　Penalization法を用いた.乱流場はこれまでの研究で開発してきたフーリエ・スペクトル法による直接数値計算コードを用いた.計算領域は一辺が2πの周期的境界条件に従う立方体とし，この中に最大6144個の固体球形粒子を分散させた計算を行った．乱流レイノルズ数を抑えて粒子周りの流れを十分に解像できるよう配慮した．粒径はコルモゴロフ長程度であり，これは特徴的な乱流渦のに比べて比較的小さい．両手法で得られた乱流スペクトルの振る舞い等の結果から，質点近似粒子群による乱流変調と有限サイズ粒子群による乱流変調には，特に大スケールでの振る舞いは定量的にも良く一致することが明らかになった．これは条件によっては質点近似計算の有効性や妥当性を根拠づけるものである．

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

初年度は計算コードの開発・整備とテスト計算を目標にしていたが，研究自体は非常に順調に進めることができた．これは研究に携わった大学院生の努力や研究室同僚からの助力によるところが大変大きかったと感じている．現在は主要な結果を学術論文としてまとめている段階であり，当初の最低限の研究目標はクリアできる状況にあるのではないかと考えている．

今後の研究の推進方策

当面の目標は，現在の研究成果を学術論文としてまとめ，出版にまでたどり着くことにある．その過程でいくつかの問題点が浮上する可能性があるが，引き続きデータの解析と計算を先に進めていくことができる環境を早めに構築したいと考えている．また，球形の固体粒子以外に非球形の粒子を扱うことも可能な状況になっているので，当初の予定にはなかったが粒子形状の違いによる乱流場への影響を解析することは大変興味深いテーマになると考えている．

次年度使用額が生じた理由

当初は解析用の計算サーバーの購入と,スパコンの使用料について予算を使用する予定でいたが、計算サーバーについては初年度は研究室に従来から設置してあるものを利用することがなんとか可能であったため,購入するに至らなかった.またスパコンの使用料については,他のプロジェクトからの計算機資源の供給に余裕が生じたため、当初予定していた使用料が発生しなかった.今年度は計算機の使用料にある程度まとまった予算を使用することになると考えており,解析用サーバーの購入も予定している.また研究成果の発表かかる経費もかかると予想しており、前年度よりは予算の消化が大幅に増えると予想している．

研究成果

• [国際共同研究] Planetary Science Institute/The Pennsylvania University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Planetary Science Institute/The Pennsylvania University
• [雑誌論文] 乱流と固体粒子群の相互作用に関する大規模シミュレーション (第31回数値流体力学シンポジウム特集)--(特集 注目研究 in CFD31) (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡邉友貴， 渡邊威， 齋藤泉， 後藤俊幸
  • 雑誌名: ながれ: 日本流体力学会誌 巻: 37 ページ: 123-128
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] On the smoothing of point force in the two-way coupling simulation of polymer-laden turbulent flow (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Watanabe, Toshiyuki Gotoh
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1035 ページ: 012010
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1035/1/012010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Size distribution spectrum of noninertial particles in turbulence (2018)
  • 著者名/発表者名: Izumi Saito, Toshiyuki Gotoh, Takeshi Watanabe
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 97 ページ: 053108
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.97.053108
  • 査読あり
• [雑誌論文] Early Archean planktonic mode of life: Implications from fluid dynamics of lenticular microfossils (2018)
  • 著者名/発表者名: Kozawa Tomoki、Sugitani Kenichiro、Oehler Dorothy Z.、House Christopher H.、Saito Izumi、Watanabe Takeshi、Gotoh Toshiyuki
  • 雑誌名: Geobiology 巻: 17 ページ: 113～126
  • DOI: https://doi.org/10.1111/gbi.12319
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] ランダム速度場下での弾性乱流の発生とその統計性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡邊 威, 後藤 俊幸
  • 雑誌名: 数理解析研究所講究録 巻: 2097 ページ: 40-49
• [学会発表] 等方乱流中の固体粒子群の振る舞いと乱流変調 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡邊威, 小澤朋樹, 齋藤泉, 後藤俊幸
  • 学会等名: 日本物理学会 2018 年秋季大会 同志社大学京田辺キャンパス
• [学会発表] 小さな固体粒子群による乱流変調の大規模シミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 小澤朋樹, 渡邊威, 齋藤泉, 後藤俊幸
  • 学会等名: 日本流体力学会年会2018 大阪大学豊中キャンパス
• [学会発表] 乱流中で衝突・合体成長する粒子スペクトルの統計理論 (2018)
  • 著者名/発表者名: 齋藤泉, 後藤俊幸, 渡邊威
  • 学会等名: 京都大学数理解析研究所共同研究集会「乱流と遷移：構造, 多重スケール, モデル」
• [学会発表] On the modification of scalarvariance spectra due to cloud droplets in cloud microphysics simulator (2018)
  • 著者名/発表者名: Izumi Saito, Toshiyuki Gotoh, Takeshi Watanabe
  • 学会等名: 12th European Fluid Mechanics Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Turbulence-cloud droplet interaction in cloud micro-physics simulator (2018)
  • 著者名/発表者名: Izumi Saito, Toshiyuki Gotoh, Takeshi Watanabe
  • 学会等名: 15th Conference on Cloud Physics
  • 国際学会