| 研究課題/領域番号 |
19H02071
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| 研究機関 | 東京理科大学 |
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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)
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| 研究分担者 |
川口 靖夫 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 教授 (20356835)
福留 功二 東京理科大学, 工学部機械工学科, 助教 (70710698)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 亜臨界遷移 / 壁乱流 / DNS / 環状流 / 非相似性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，環状流を含め様々な流動形態における層流－乱流共存場（螺旋乱流など）を調査し，それらの流動特性や伝熱特性，特に熱－運動量輸送の非相似性を解析し，亜臨界遷移現象の包括的な理解とそれに基づく工学応用の可能性探究が目標である．2020年度においては，2019年度に引き続き平行平板流れ（半径比が極限１の環状流に相当）も含めた各種環状流についてDNS（直接数値計算）を行い，それぞれに見る亜臨界乱流遷移過程とそのレイノルズ数依存性を調査した．環状流路の周方向制限を緩和した仮想計算領域のDNS（直接数値計算）によって，局在乱流の振る舞いがDP（Directed Percolation）普遍クラスの特徴に合致することが判明した．しかし，環状Couette-Poiseuille流では基本流が円管内流に近い場合において，(1+1)D-DPのような振る舞いが統計量から検知されても実際には乱流パフの分裂が起きていない，つまり厳密なDPと判断できないケースがあることを見出した．別の系として，環状Taylor-Couette-Poiseuille流においては，軸方向圧力勾配の程度に応じて局在乱流の形状が環状や帯状に変化することを発見した．
偏心可能な環状Poiseuille流の可視化実験を行い，螺旋乱流の観測的実証や下臨界レイノルズ数調査を行った．半径比が約0.5の同心二重円筒流路において，少なくとも有限長の螺旋パフの観測に成功しているが，半無限長の螺旋パフは確認できていない．偏心二重円筒流路においては，偏心率と円筒比に応じて，間欠率のレイノルズ数依存性が変化し，完全層流に至るレイノルズ数が偏心の影響で有意に下がることが分かった．熱伝達を考慮した乱流斑点成長のDNSを実施し，空間的成長を続ける際に熱と運動量輸送の非相似性（熱輸送優位）が見出された．
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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
各種流路における大規模なDNS解析が順調に進んでいる．具体的には平面Poiseuille流，矩形Poiseuille流，環状Poiseuille流，環状Couette流，環状Couette-Poiseuille流，環状Taylor-Couette-Poiseuille流，鉛直平行平板間自然対流の7種である．特に，鉛直平行平板間自然対流は他の強制対流と異なり，明確な層流－乱流共存場（乱流縞など）の報告例がなく，工学応用を進める上で共存対流での検証も含めて推し進めるべき解析対象である．すでに，乱流縞に酷似した流動場の検出に成功している．
二重円筒間水路による可視化実験においても，パラメトリックスタディがほぼ計画通りの進捗であり，論文発表に向けてデータ整理に段階にある．
環状Couette流および環状Couette-Poiseuille流の解析結果については英文学術雑誌（査読付き）で発表し，オープンアクセスとして広く公知している．
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き各種流動形態について個別にDNSを実施してデータを蓄積するが，それぞれに見る亜臨界乱流遷移過程について統一的解釈の実現を目指していく．特に，近年関心が寄せらているDirected-Percolation普遍クラスとの関連性をより明らかにするため，臨界現象における特徴量の定量評価を試みる．これの実現には，大規模計算領域と長時間計算が肝要であり，大型並列計算機によるHigh-Performance Computingの更なる活用を実施していく．得られた結果については，非平衡物理学を専門とした国内外の共同研究者とも議論を重ねて，DP普遍クラスとしての是非を慎重に見定めていく，
現象の工学的応用を目指して，螺旋乱流または乱流縞に対する浮力（自然対流）の影響の検証を行う．また，乱流斑点に見る熱と流れの非相似性に着目した解析を行い，その発生メカニズムを知る．また，偏心環状流の可視化実験結果に基づいて，内円筒偏心による臨界条件の制御効果および遷移構造の解明を行う．
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