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2013 年度 実績報告書

液相乱流/非乱流界面におけるラグランジュ的物質混合・反応機構の解明とモデリング

研究課題

研究課題/領域番号 25289031
研究種目

基盤研究(B)

研究機関名古屋大学

研究代表者

酒井 康彦  名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20162274)

研究分担者 角田 博之  山梨大学, 医学工学総合研究部, 准教授 (10207433)
久保 貴  名城大学, 理工学部, 准教授 (20372534)
鈴木 博貴  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10626873)
研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワード流体工学 / 乱流 / 物質混合 / 界面 / 化学反応
研究概要

当初の計画通り,平成25年度は以下の二つの研究目的に絞って研究を行った.
1.研究目的(A)について: 液相中での乱流/非乱流界面を含む高シュミット数物質拡散場のラグランジュ的統計量を明らかにするための速度・濃度同時計測システムの構築に着手した.まず2次元PIV・LIF同時計測システムを開発し,無反応蛍光物質を使用して,格子乱流や2次元噴流について,2次元平面内での速度2成分・濃度同時計測を試みた.一方,反応濃度場については,吸光スペクトル法による吸光ファイバプローブにより,2次元噴流について,2次の化学反応場(A+B→R:物質Aを物質Bを含む主流中に放出して反応場を作成する)における各物質濃度の瞬時同時測定を行い,条件付濃度場解析などを行った.
2.研究目的(B)について:
(1)ラグランジュ的PDF法による拡散・反応場の数値計算: 粒子速度に関する確率微分方程式モデルとスカラー量に対する分子混合モデルについて調査した.2次元乱流噴流や格子乱流での単成分・多成分変動スカラー場と2次の化学反応場(R+B→S)の計算手法について文献調査をした.
(2)ランダムフーリエモード法を利用した拡散・反応場の数値計算:ランダムフーリエモード法に急激変形理論および分子混合モデルを組み合わせることにより乱流/非乱流界面近傍流れや格子乱流中におかれた円柱まわりのプルームの変動濃度場・2次の化学反応場を計算する手法について調査した.
(3)DNSやLESによるパッシブスカラー場や反応場の数値計算:まず,正方格子乱流や単一四角格子乱流およびフラクタル格子乱流の格子背後の速度場のDNSを行った.また,2次元乱流噴流に対して,DNS/LESとPDFのハイブリッド型PDF法により無反応拡散場や2次の化学反応場の計算を実施した.

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

当初の研究計画通りに研究が進んでおり,「研究実績の概要」で示した1.および2.(1)~(3)の研究においてそれぞれ順調に成果が得られている.とくに,2.(3)のDNSやLESによるパッシブスカラー場や反応場の数値計算に関連して,内外の学術誌(査読付)に合計7編の論文が出版された.また,1.の液相中での化学反応場に関する実験的研究についても,内外の学術誌(査読付)に合計6編の論文が出版されている.さらに,これらの研究成果以外にも重要な実験的,数値的結果が得られており,現在,流体力学分野の一流国際誌であるPhysis of FluidsやJournal of Fluid Mechanicsなどに投稿準備中である.以上より研究はおおむね順調に進展していると判断される.

今後の研究の推進方策

次年度は以下の研究を行う.
1.研究目的(A)について: 前年度に引き続き,液相中での速度・濃度同時計測システムの開発を進める.まず前年度に開発した2次元PIV/LIF同時計測システムを用いて,無反応蛍光物質を使用して,格子乱流や2次元噴流について,2次元平面内での速度2成分・濃度同時計測を継続して行う.また,ステレオPIVシステムを導入し,ラグランジュ的速度場(3成分)・濃度場の同時計測の準備を行う.一方,反応濃度場については,前年度に引き続き,吸光スペクトル法による吸光ファイバプローブにより,2次元噴流について,2次の化学反応場(A+B→R:物質Aを物質Bを含む主流中に放出して反応場を作成する)における各物質濃度の瞬時同時測定を行い,条件付濃度場解析などを行う.
2.研究目的(B)について:
(1)ラグランジュ的PDF法による拡散・反応場の数値計算:前年度の研究成果を踏まえ,粒子速度に関する確率微分方程式モデルとスカラー量に従来の分子混合モデルを組み合わせた数値計算コードを開発する.
(2)ランダムフーリエモード法を利用した拡散・反応場の数値計算:前年度の研究成果を踏まえ,ランダムフーリエモード法に急激変形理論および分子混合モデルを組み合わせることにより乱流/非乱流界面近傍流れや格子乱流中におかれた円柱まわりのプルームの変動濃度場・2次の化学反応場を計算する手法を確立する.
(3)DNSやLESによるパッシブスカラー場や反応場の数値計算:前年度の研究を発展させ,格子乱流中のパッシブスカラー場をDNSにより計算し,その中で流体粒子に沿ったラグランジュ的統計量の変化を調べ,分子混合モデルの検証を行う.また,新しい試みとして,多重スケール/フラクタル格子乱流中でのパッシブスカラー場の計算も試みる.さらに,2次元乱流噴流に対して,引き続きDNS/LESとPDFのハイブリッド型PDF法による拡散場の計算や2次の化学反応の計算も試みる.

  • 研究成果

    (36件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (14件) (うち査読あり 12件) 学会発表 (21件) (うち招待講演 3件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Development of Turbulence behind the Single Square Grid2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhou, K. Nagata, Y. Sakai, H. Suzuki, Y. Ito, O. Terashima and T. Hayase
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 26 ページ: 451052

    • DOI

      10.1063/1.4870167

    • 査読あり
  • [雑誌論文] DNS による反応性物質濃度の乱流シュミット数・乱流拡散係数に関する研究2014

    • 著者名/発表者名
      渡邉智昭, 酒井康彦,長田孝二,寺島修,伊藤靖仁,早瀬敏幸
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集(B編)

      巻: 80(809) ページ: FE0008

    • DOI

      10.1299/transjsme.2014fe0008

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 乱流・非乱流界面近傍の反応場に関する研究2014

    • 著者名/発表者名
      内藤尭啓,渡邉智昭,酒井康彦,長田孝二,伊藤靖仁,寺島修
    • 雑誌名

      日本機械学会ニューズレター流れ

      巻: 2014年1月号 ページ: WEB

  • [雑誌論文] Direct Numerical Simulation of Fractal-Generated Turbulence2013

    • 著者名/発表者名
      H. Suzuki, K. Nagata, Y. Sakai,T. Hayase, Y. Hasegawa and T. Ushijima
    • 雑誌名

      Fluid Dynamics Research

      巻: 45 ページ: 61409

    • DOI

      10.1088/0169-5983/45/61061409

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 液相噴流中で生じる化学反応の反応速度に関する実験的研究2013

    • 著者名/発表者名
      渡邉智昭,酒井康彦,長田孝二,寺島修
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集(B編)

      巻: 79(808) ページ: 2691-2703

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 直接数値計算による格子乱流の解析(不変量およびRottaモデルについて)2013

    • 著者名/発表者名
      鈴木博貴,長田孝二,酒井康彦,早瀬敏幸,長谷川豊,牛島達夫
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集(B編)

      巻: 79(807) ページ: 2363-2374

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 反応性乱流拡散場における乱流拡散係数と乱流シュミット数2013

    • 著者名/発表者名
      渡邉智昭,酒井康彦,長田孝二,寺島修
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集(B編)

      巻: 79(807) ページ: 2424-2433

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 直接数値計算法と確率密度関数法による反応性二次元噴流の数値計算2013

    • 著者名/発表者名
      渡邉智昭,酒井康彦,長田孝二,寺島修,伊藤靖仁,早瀬敏幸
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集(B編)

      巻: 79(807) ページ: 2434-2445

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 化学反応を伴う液相噴流中の条件付統計量2013

    • 著者名/発表者名
      渡邉智昭,酒井康彦,長田孝二,寺島修, 久保貴
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集(B編)

      巻: 79(806) ページ: 2053-2065

  • [雑誌論文] 反応性液相二次元噴流中のスカラ散逸率 (Conditional Moment Closure方程式の実験的評価)2013

    • 著者名/発表者名
      渡邉智昭,酒井康彦,長田孝二,寺島修, 久保貴
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集(B編)

      巻: 79(806) ページ: 2066-2076

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Visualization of Turbulent Reactive Jet by Using Direct Numerical Simulation2013

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima, H. Suzuki, T. Hayase and Y. Ito
    • 雑誌名

      International Journal of Modeling, Simulation, and Scientific Computing

      巻: 4 ページ: 1341001

    • DOI

      DOI: 10.1142/S1793962313410018

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of Flow Characteristics of Turbulent Plane Jets Based on Velocity and Scalar Fields Using DNS2013

    • 著者名/発表者名
      N. Wu, Y. Sakai, K. Nagata, H. Suzuki, O. Terashima and T. Hayase
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Science and Technology

      巻: 8(3) ページ: 247-261

    • DOI

      10.1299/jfst.8.247

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Joint Statistics between Velocity and Reactive Scalar in a Turbulent Liquid Jet with a Chemical Reaction2013

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata and O. Terashima
    • 雑誌名

      Physica Scripta

      巻: T155 ページ: 014039

    • DOI

      10.1088/0031-8949/2013/T155/014039

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fractal Analysis of Turbulent Mixing in Fractal-Generated Turbulence by Planar Laser-Induced Fluorescence2013

    • 著者名/発表者名
      H. Suzuki, K. Nagata, Y. Sakai and Y. Hasegawa
    • 雑誌名

      Physica Scripta

      巻: T155 ページ: 014062

    • DOI

      10.1088/0031-8949/2013/T155/014062

    • 査読あり
  • [学会発表] On the Evolution of Turbulent Flow Generated by Single/Fractal-Square Grid2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Sakai ,Y. Zhou, K. Nagata and Y. Ito
    • 学会等名
      3rd EPSRC-ERCOFTAC Workshop on Turbulent Flows Generated/Designed in Multiscale/Fractal Ways: Fundamentals and Application
    • 発表場所
      Imperical Collage London, London, UK
    • 年月日
      20140327-20140328
    • 招待講演
  • [学会発表] Scalar Mixing in Fractal/Regular Grid Turbulences with Different Configurations2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Ito, T. Watanabe, K. Nagata, Y. Sakai and K. Hoshino
    • 学会等名
      3rd EPSRC-ERCOFTAC Workshop on Turbulent Flows Generated/Designed in Multiscale/Fractal Ways: Fundamentals and Application
    • 発表場所
      Imperical Collage London, London, UK
    • 年月日
      20140327-20140328
    • 招待講演
  • [学会発表] Characteristics of Turbulent/Non-Turbulent Interface in a Turbulent Planar Jet with a Chemical Reaction2013

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima, Y. Ito and T. Hayase
    • 学会等名
      American Physical Society 66th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • 発表場所
      Pittsburgh, Pennsylvania, USA
    • 年月日
      20131124-20131126
  • [学会発表] Scalar Transfer Across a Turbulent/Non-Turbulent Interface in a Planar Jet2013

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima, Y. Ito and T. Hayase
    • 学会等名
      American Physical Society 66th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • 発表場所
      Pittsburgh, Pennsylvania, USA
    • 年月日
      20131124-20131126
  • [学会発表] 反応を伴う液相二次元噴流の乱流・非乱流界面近傍の濃度統計量に関する研究2013

    • 著者名/発表者名
      内藤尭啓,渡邊智昭,酒井康彦,長田孝二,伊藤靖仁,寺島修
    • 学会等名
      日本機械学会第91期流体工学部門講演会
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      20131109-20131110
  • [学会発表] DNS-PDF Simulation of Turbulent Mixing in a Reactive Planar Jet2013

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, O. Terashima and T. Hayase
    • 学会等名
      13th International Conference on Systems Simulation
    • 発表場所
      The Concorde Hotel Singapore, Singapore
    • 年月日
      20131106-20131108
  • [学会発表] 矩形断面を有するS字形状管内乱流のPIV計測2013

    • 著者名/発表者名
      角田博之,堀口聡
    • 学会等名
      日本機械学会2013年度山梨講演会
    • 発表場所
      山梨大学
    • 年月日
      20131026-20131026
  • [学会発表] Applications for Fractal Grids – Mixers2013

    • 著者名/発表者名
      K. Nagata, Y. Sakai, H. Suzuki, Y. Ito, O. Terashima, T. Watanabe, T. Inaba and Y. Zhou
    • 学会等名
      MULTISOLVE Training Module 1
    • 発表場所
      Imperical Collage London, London, UK
    • 年月日
      20130923-20130926
    • 招待講演
  • [学会発表] DNS study on Small-Scale Characteristics of Fractal-Generated Turbulence2013

    • 著者名/発表者名
      H. Suzuki, K. Nagata, Y. Sakai, T. Hayase, Y. Hasegawa and T. Ushijima
    • 学会等名
      4th International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      20130917-20130920
  • [学会発表] Direct Numerical Simulation of Single-Square Grid-Generated Turbulence2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhou, K. Nagata, Y. Sakai, H. Suzuki, Y. Ito, O. Terashima and T. Hayase
    • 学会等名
      4th International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      20130917-20130920
  • [学会発表] Conditional Statistics of Reactive Concentrations in a Planar Liquid Jet2013

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima and Y. Ito
    • 学会等名
      4th International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      20130917-20130920
  • [学会発表] Stereo PIV Measurement of Regular and Fractal Grid Turbulence in Liquid2013

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe, K. Hoshino, Y. Ito, K. Nagata, Y. Sakai and O. Terashima
    • 学会等名
      4th International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      20130917-20130920
  • [学会発表] Improvement of a Spatial Resolution of Concentration Measurement System Based on the Light Absorption Spectrometric Method2013

    • 著者名/発表者名
      T. Naito, T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima and Y. Ito
    • 学会等名
      4th International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      20130917-20130920
  • [学会発表] DNSによる二次元噴流中の反応性物質の乱流拡散係数に関する研究2013

    • 著者名/発表者名
      渡邉智昭,酒井康彦,長田孝二,伊藤靖仁,寺島修,早瀬敏幸
    • 学会等名
      日本流体力学会 年会2013
    • 発表場所
      東京農工大学
    • 年月日
      20130912-20130914
  • [学会発表] 乱流生成方法により格子乱流の基本特性を変える試み2013

    • 著者名/発表者名
      鈴木博貴,長田孝二,酒井康彦,早瀬敏幸,長谷川豊,牛島達夫
    • 学会等名
      日本流体力学会 年会2013
    • 発表場所
      東京農工大学
    • 年月日
      20130912-20130914
  • [学会発表] 化学反応を伴う液相噴流における濃度の条件付統計量に関する研究2013

    • 著者名/発表者名
      渡邉智昭,酒井康彦,長田孝二,寺島修,久保貴
    • 学会等名
      日本機械学会 2013年度年次大会
    • 発表場所
      岡山大学
    • 年月日
      20130908-20130911
  • [学会発表] Experimental Investigation of Eddy Diffusivity in a Reactive Liquid Jet2013

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima and Y. Ito
    • 学会等名
      14th European Turbulence Conference
    • 発表場所
      Lyon, France
    • 年月日
      20130901-20130904
  • [学会発表] DNS on Multiscale-Generated Grid Turbulence Using Classical Grid2013

    • 著者名/発表者名
      H. Suzuki, K. Nagata, Y. Sakai, T. Hayase, Y. Hasegawa and T. Ushijima
    • 学会等名
      8th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
    • 発表場所
      Poitiers, France
    • 年月日
      20130828-20130830
  • [学会発表] DNSによる化学反応を伴う二次元噴流の可視化2013

    • 著者名/発表者名
      渡邉智昭,酒井康彦,長田孝二,寺島修,伊藤靖仁,鈴木博貴,早瀬敏幸
    • 学会等名
      第41回可視化情報シンポジウム
    • 発表場所
      工学院大学
    • 年月日
      20130716-20130717
  • [学会発表] 格子乱流の渦構造に関する時系列PIV解析2013

    • 著者名/発表者名
      鈴木博貴,長谷川豊,牛島達夫,長田孝二,酒井康彦
    • 学会等名
      第41回可視化情報シンポジウム
    • 発表場所
      工学院大学
    • 年月日
      20130716-20130717
  • [学会発表] An Attempt to Improve Accuracy of PIV Using an Interpolation Method2013

    • 著者名/発表者名
      H. Suzuki, T. Ushijima, Y. Hasegawa, K. Nagata and Y. Sakai
    • 学会等名
      12th Asian Symposium on Visualization
    • 発表場所
      National Cheng Kung University, Taiwan
    • 年月日
      20130519-20130523
  • [図書] PIVハンドブック(第二版)「第9章」2014

    • 著者名/発表者名
      鈴木博貴,長田孝二,酒井康彦,長谷川豊
    • 総ページ数
      未定
    • 出版者
      森北出版

URL: 

公開日: 2015-05-28  

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