研究課題
本研究の目的は、各種工学機器で頻繁に出現する自由表面乱流場における乱流構造解析とそれに伴う世界最大規模の大規模直接数値計算による乱流現象の機構論的現象解明である.平成21年度は、高フルード数(Fr=1.8)の開水路乱流場の直接数値計算(DNS)データベースの構築及びそれに基づく自由表面近傍の乱流構造の解析を行った。その結果、高フルード数効果により、自由表面上で鉛直方向の乱れが生成され、自由表面下では、鉛直方向の乱れ強度から主流方向への再配分が支配的であることがわかった。またこれに伴い自由表面近傍で散逸率が増加傾向を示すことがわかった。さらにこれらの乱流統計量の分布特性は、室内実験結果と良好に一致することを確認した。界面変形効果は、緩やかに盛り上がった低波数の変形と等方的な高波数変動から構成されることを確認した.そして乱流強度分布においては、高波数変動の影響が大きく、一方低波数の界面変形効果により、自由表面近傍でも縞構造が存在することが判明した。次に高レイノルズ数における乱流熱移動を対象とし、高レイノルズ数・高プラントル数乱流熱輸送に関するDNSを実行した。まず高プラントル数特有の速度変動以下の微細な温度変動の乱流統計量に与える影響について、格子分解能を変化させ調査した。そして高レイノルズ数・高プラントル数状態においては、熱輸送における速度場と同様の大規模構造の影響を確認した。また高プラントル数の温度場において大規模構造は、壁面近傍の乱流構造の影響が大きいことが判明した。次年度以降は得られたDNSデータ及び知見をもとに乱流モデリングに関する考察を行う予定である。
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