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2022 年度 実績報告書

高レイノルズ数・高マッハ数非平衡乱流のエネルギーカスケード機構解明とモデル化

研究課題

研究課題/領域番号 22H01398
配分区分補助金
研究機関名古屋大学

研究代表者

長田 孝二  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (50274501)

研究分担者 渡邉 智昭  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (70772292)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
キーワード乱流 / 風洞実験 / 数値計算
研究実績の概要

1) 高レイノルズ数・高マッハ数乱流実験:2 m×2 mの吹き出し部を有する風洞の前面に格子幅250 mm, 125 mm, 50 mmの乱流格子(いずれも閉塞率36%)を設置し、格子レイノルズ数が最大で1.7×10**5の高レイノルズ数格子乱流を生成させた。熱線流速計を用いて乱流エネルギーと粘性散逸率の下流方向分布を調べた。また、複数の超音速噴流の干渉により生成される高マッハ数乱流場の特性を熱線流速計と粒子画像流速計(PIV:本研究経費にてPIV専用カメラと専用ソフトウェアを購入)を用いて調査した。さらに、シュリーレン装置とハイスピードカメラ(いずれも本研究費にて購入)を用いて流動場の可視化を行った。可視化のみならずシュリーレン画像を用いた乱流場の定量的評価法について検討を行った。
2) 動的格子乱流:静的モードについて熱線流速計から得られた長時間時系列データから積分時間程度の短時間平均での乱流レイノルズ数と粘性散逸率を評価し、それらのスケーリング則を明らかにした。その結果、長時間平均した粘性散逸率が平衡スケーリングに従う場合であっても、短時間平均した粘性散逸率は非平衡スケーリング則に従うことを明らかにした。結果はJournal of Fluid Mechanicsに掲載された。また、動的格子乱流の直接数値計算コードの開発に着手した。
3) 非定常格子乱流実験:主流が正弦状に変化する非定常格子乱流実験の条件について検討を行い、予備実験を実施した。
4) 高マッハ数乱流の非平衡性を調査するため、超音速噴流干渉の直接数値計算コードを開発し計算を行った。基本的な乱流特性を評価した。

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

当初の研究計画実施通りに研究を行い、それぞれ一定の成果を得ることができた。特に、格子乱流場において長時間平均した粘性散逸率が平衡スケーリングに従う場合であっても、短時間平均した粘性散逸率は非平衡スケーリング則に従うことを初めて明らかにし、この結果は当該分野のトップジャーナルであるJournal of Fluid Mechanicsに掲載された。さらに、共同研究によって一様等方性乱流場中の乱流エネルギーの粘性散逸率に及ぼす諸因子を明らかにした。
以上より、本課題は当初の計画通りおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

1)粘性散逸スケーリング則の検証:初年度の研究により、一様等方性乱流場中の乱流エネルギーの粘性散逸率に及ぼす諸因子を明らかにした。これらを格子乱流のような準一様等方性乱流場や乱流混合層など非一様乱流場で評価し、粘性散逸スケーリング則との関連を調査する。
2)動的格子乱流の直接数値計算(DNS):動的格子乱流のDNSを実施し、生成される乱流の基本特性を明らかにする。動的格子によって生成される乱流の大スケール構造に着目し、実験結果との定性的な比較を試みる。DNSによって動的格子乱流の特性が再現されていることを確認した後、実験では評価が困難な三次元空間スペクトルやエネルギーフラックス、積分不変量などの統計量を評価し、乱流の減衰率との関連を調べる。
3)定常/非定常格子乱流:主流が時間的に変化しない定常格子乱流については、格子近傍の非平衡領域における局所統計量の評価(手法については初年度の研究にて確立済)を行い、局所粘性散逸率の局所乱流レイノルズ数に対するスケーリング則を明らかにする。非定常格子乱流に関しては、初年度に引き続き、主流が正弦状に変化する非定常格子乱流の実験を行う。乱流生成には格子幅250mmの乱流格子を用い、風洞吹き出し部に設置された10枚のルーバーの周波数と振幅を変化させて格子下流に生成される乱流の特性を明らかにする。熱線流速計により得られる時系列を平均成分、周期成分、変動成分に分解し、乱流エネルギーと粘性散逸率の関係(スケーリング則など)を調べる。
4)高マッハ数乱流の非平衡性を調査するため、初年度に開発した数値計算コードを用いて超音速噴流干渉の直接数値計算を行う。また、複数の超音速噴流の干渉により生成される高マッハ数乱流場の特性を熱線流速計と粒子画像流速計(PIV:本研究経費にてPIV専用カメラと専用ソフトウェアを購入済)を用いて調査する。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Unsteady dissipation scaling in static- and active-grid turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Yulin Zheng, Kohtaro Nakamura, Koji Nagata, and Tomoaki Watanabe
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 956 ページ: A20

    • DOI

      10.1017/jfm.2022.937

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Turbulent/turbulent interfacial layers of a shearless turbulence mixing layer in temporally evolving grid turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Kohtaro Nakamura, Tomoaki Watanabe, and Koji Nagata
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 35 ページ: 045117

    • DOI

      10.1063/5.0141253

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Appearance of the -5/3 scaling law in spatially intermittent flows with strong vortex shedding2023

    • 著者名/発表者名
      Yi Zhou, Koji Nagata, Yasumasa Ito, Yasuhiko Sakai, and Yuji Hattori
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 35 ページ: 045116

    • DOI

      10.1063/5.0141076

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Large- and small-scale characteristics in a temporally developing shearless turbulent mixing layer2022

    • 著者名/発表者名
      Kohtaro Nakamura, Tetsuya Matsushima, Yulin Zheng, Koji Nagata, and Tomoaki Watanabe
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 34 ページ: 115117

    • DOI

      10.1063/5.0121047

    • 査読あり
  • [学会発表] Turbulent/Non-Turbulent Interfaces in Equilibrium and Non-Equilibrium Turbulence2022

    • 著者名/発表者名
      M. Zecchetto, T. Watanabe, K. Nagata, and C. B. da Silva
    • 学会等名
      12th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
    • 国際学会
  • [学会発表] 無せん断乱流混合層における乱流・乱流界面の特性2022

    • 著者名/発表者名
      中村 浩太郎, 渡邉 智昭, 長田 孝二
    • 学会等名
      日本機械学会第100 期流体工学部門講演会
  • [学会発表] Global- and Local-Analysis of Velocity Field in Grid Turbulence2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Zheng, T. Watanabe, and K. Nagata
    • 学会等名
      Nineteenth International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] 超音速噴流の干渉により生成される乱流の質量流束計測2022

    • 著者名/発表者名
      森 貴央, 渡邉 智昭, 長田 孝二
    • 学会等名
      第54回流体力学講演会 / 第40回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
  • [学会発表] 平行格子により生成される無せん断乱流混合層の直接数値計算2022

    • 著者名/発表者名
      中村 浩太郎, 松島 哲也, 渡邉 智昭, 長田 孝二
    • 学会等名
      日本機械学会2022年度年次大会
  • [学会発表] Turbulent/Non-Turbulent Interfaces in Non-Equilibrium Turbulence2022

    • 著者名/発表者名
      M. Zecchetto, T. Watanabe, K. Nagata, and C. B. da Silva
    • 学会等名
      14th European Fluid Mechanics Conference
    • 国際学会

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公開日: 2023-12-25  

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