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2014 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, 総合研究部, 准教授 (10207433)
鈴木 博貴  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10626873)
久保 貴  名城大学, 理工学部, 准教授 (20372534)
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
研究実績の概要

年度当初の研究実施計画通り,平成26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: 前年度に引き続き,2次元PIV/LIF同時計測システムを用いて,まず無反応蛍光物質を使用して,格子乱流について,2次元平面内での速度2成分・濃度同時計測を行った.一方,反応濃度場については,2次元噴流について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: 前年度に引き続き,粒子速度に関する確率微分方程式モデルに加えて,スカラー量に従来の分子混合モデルを導入し,2次元乱流噴流や格子乱流でのスカラー場と2次の化学反応場の計算を試みた.
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:前年度に引き続き,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濃度場・2次の化学反応場を計算する手法について文献調査と計算コードの開発を試みた.
③DNSやLESによるパッシブスカラー場や反応場の数値計算:前年度に引き続き,DNSにより格子乱流の統計的性質を調べた.また,パッシブスカラー場の計算の準備を始めた.なお,多重スケール/フラクタル格子乱流の数値計算を実施した.また,2次元乱流噴流に対して,DNSにより乱流・非乱流界面周りのコヒーレント構造や化学反応場の計算を実施した.さらに,LESとPDFのハイブリッド型PDF法を目指して,LESとラグランジュ的粒子法を組み合わせた計算法を考案し,具体的に2次元噴流乱流拡散・反応場を計算するコードを開発した.

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

おおむね当初の研究計画どおり研究が進んでおり,「研究実績の概要」で示した1.および2.①~③の研究テーマについて,それぞれ順調に成果が得られつつある.特に,1.のテーマに関する実験的研究として,国内外の学術誌(査読付)に合計6編の論文が出版された.また,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,やはり合計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Physcs of FluidsやJournal of Computational Physicsなどに投稿中である.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,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,格子乱流中の混合層や2次元乱流噴流について,2次元平面内での速度2成分・濃度同時計測を行う.また,ステレオPIVシステムを導入することにより,速度3成分・濃度同時計測を実施すると同時に,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も,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:前年度に引き続き,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)の計算を行う.また新しい分子混合モデルの適用を試みる.
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:前年度に引き続き,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を試みる.
③DNSやLESによるパッシブスカラー場や反応場の数値計算:前年度に引き続き,2次元乱流噴流に対して,DNSやLESにより速度場・拡散場や2次の化学反応場を計算する.また,新しい試みとして,LESとラグランジュ的粒子法(Lagrangian Particle Method)を組み合わせたハイブリッド計算手法により,無反応拡散場や反応場を計算する.一方,格子乱流やフラクタル格子乱流の速度場やパッシブスカラー場のDNSも行う.

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (12件) (うち査読あり 12件、 謝辞記載あり 11件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (10件) (うち招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Mixing and chemical reaction at high Schmidt number near turbulent/nonturbulent interface in planar liquid jet2015

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Watanabe, Takahiro Naito, Yasuhiko Sakai, Kouji Nagata and Yasumasa Ito
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 27 ページ: 035114

    • DOI

      10.1063/1.4915510

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Development of turbulence behind the single square grid2014

    • 著者名/発表者名
      Yi Zhou, Kouji Nagata, Yasuhiko Sakai, Hiroki Suzuki, Yasumasa Ito, Osamu Terashima and Toshiyuki Hayase
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 26 ページ: 045102

    • DOI

      10.1063/1.4870167

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] PLIF法計測による統計分布に及ぼす時間変化/変動ノイズの影響予測(量子収率の時間変化およびレーザ・カメラゲイン変動の影響予測式と実験的検証)2014

    • 著者名/発表者名
      鈴木 博貴, 長田孝二,酒井康彦,長谷川 豊,牛島達夫
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 80 ページ: 14-00053

    • DOI

      10.1299/transjsme.2014fe0114

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Relevance of turbulence behind the single square grid to turbulence generated by regular- and multiscale-grids2014

    • 著者名/発表者名
      Yi Zhou,Kouji Nagata, Yasuhiko Sakai, Hiroki Suzuki, Yasumasa Ito, Osamu Terashima and Toshiyuki Hayase
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 26 ページ: 075105

    • DOI

      10.1063/1.4890746

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 反応を伴う液相二次元噴流における乱流・非乱流界面近傍の条件付統計量2014

    • 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
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 80 ページ: 14-00226

    • DOI

      10.1299/transjsme.2014fe0228

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Concentration measurement in a planar liquid jet with a chemical reaction by using the improved concentration measurement system based on the light absorption2014

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Naito, Tomoaki Watanabe, Yasuhiko Sakai, Kouji Nagata and Yasumasa Ito
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Science and Technology

      巻: 9 ページ: 14-00191

    • DOI

      10.1299/jfst.2014jfst0041

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Enstrophy and passive scalar transport near the turbulent/non-turbulent interface in a turbulent planar jet flow2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Watanabe, Yasuhiko Sakai, Kouji Nagata, Yasumasa Ito and Toshiyuki Hayase
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 26 ページ: 105103

    • DOI

      10.1063/1.4898208

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Reactive scalar field near the turbulent/non-turbulent interface in a planar jet with a second-order chemical reaction2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Watanabe, Yasuhiko Sakai, Kouji Nagata, Yasumasa Ito and Toshiyuki Hayase
    • 雑誌名

      Physcis of Fluids

      巻: 26 ページ: 105111

    • DOI

      10.1063/1.4900403

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Experimental study on the reaction rate of a second-order chemical reaction in a planar liquid jet2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Watanabe, Yasuhiko Sakai, Kouji Nagata and Osamu Terashima
    • 雑誌名

      AIChE JOURNAL

      巻: 60 ページ: 3969-3988

    • DOI

      10.1002/aic.14610

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Promotion of Chemical Reactions by a Grid in a Shear Mixing Layer2014

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Ito, Yasuhiko Sakai and Kouji Nagata
    • 雑誌名

      Chemical Engineering & Technology

      巻: 37 ページ: 2103-2108

    • DOI

      10.1002/ceat.201300835

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Wavelet Analysis of Coherent Vorticity near the Turbulent/Non-Turbulent Interface in a Turbulent Planar Jet2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Watanabe, Yasuhiko Sakai, Kouji Nagata, Yasumasa Ito and Toshiyuki Hayase
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 26 ページ: 095105

    • DOI

      10.1063/1.4896298

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Vortex Stretching and Compression Near the Turbulent/Nonturbulent Interface in a Planar Jet2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Watanabe, Yasuhiko Sakai, Kouji Nagata, Yasumasa Ito and Toshiyuki Hayase
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 758 ページ: 754-785

    • DOI

      10.1017/jfm.2014.559

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] PIV-PLIF計測による格子乱流中のスカラ混合・拡散の関する研究2015

    • 著者名/発表者名
      渡邉知幸,伊藤靖仁,長田孝二,酒井康彦,岩野耕治
    • 学会等名
      日本機械学会東海支部 第64期総会・講演会
    • 発表場所
      中部大学 (春日井市),愛知県
    • 年月日
      2015-03-13 – 2015-03-14
  • [学会発表] 物質拡散PLIF計測における時間変化ノイズの影響の予測と因子間比較2015

    • 著者名/発表者名
      鈴木博貴,長田孝二,酒井康彦,長谷川豊,牛島達夫
    • 学会等名
      日本機械学会東海支部 第64期総会・講演会
    • 発表場所
      中部大学 (春日井市),愛知県
    • 年月日
      2015-03-13 – 2015-03-14
  • [学会発表] 化学反応を伴う高Sc数乱流噴流拡散場に関する研究2015

    • 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
    • 学会等名
      日本機械学会東海支部 第64期総会・講演会
    • 発表場所
      中部大学 (春日井市),愛知県
    • 年月日
      2015-03-13 – 2015-03-14
  • [学会発表] Effect of Free Stream Turbulence on the Entrainment Characteristics of Jets2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Watanabe, Yasuhiko Sakai, Kouji Nagata, Osamu Terashima, Yasumasa Ito and Toshiyuki Hayase
    • 学会等名
      68th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • 発表場所
      ohn B. Hynes Veterans Memorial Convention Center, Boston, Massachusetts, USA
    • 年月日
      2014-11-22 – 2014-11-24
  • [学会発表] The Helical Behavior of the Single-Square Grid-Generated Turbulence2014

    • 著者名/発表者名
      Yi Zhou, Kouji Nagata, Yasuhiko Sakai, Yasumasa Ito and Toshiyuki Hayase
    • 学会等名
      11th International Conference on Flow Dynamics
    • 発表場所
      Sendai International Center, Miyagi, Japan
    • 年月日
      2014-10-08 – 2014-10-10
  • [学会発表] On Non-Equilibrium Region in Grid Turbulence2014

    • 著者名/発表者名
      Kouji Nagata, Teppei Saiki, Yasuhiko Sakai and Yasumasa Ito
    • 学会等名
      One-Day Workshop: Turbulence Out of Classical Equilibrium in Nature and Engineering and Multiscale-Generated Flows
    • 発表場所
      University Centre of Bertinoro, Italy
    • 年月日
      2014-09-21 – 2014-09-21
    • 招待講演
  • [学会発表] Non-equilibrium transport of enstrophy and scalar near the turbulent/non-turbulent interface in a planar jet2014

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiko Sakai, Tomoaki Watanabe, Kouji Nagata, Yasumasa Ito and Toshiyuki Hayase
    • 学会等名
      JSPS Supported Meeting on Interscale Transfers and Flow Topology in Equilibrium and Nonequilibrium Turbulenc
    • 発表場所
      University of Sheffield,UK
    • 年月日
      2014-09-15 – 2014-09-16
    • 招待講演
  • [学会発表] Direct and Large Eddy Simulations of Grid turbelence2014

    • 著者名/発表者名
      Kouji Nagata, Yi Zhou, Tomoaki Watanabe, Yasuhiko Sakai and Yasumasa Ito
    • 学会等名
      JSPS Supported Meeting on Interscale Transfers and Flow Topology in Equilibrium and Nonequilibrium Turbulence
    • 発表場所
      University of Sheffield,UK
    • 年月日
      2014-09-15 – 2014-09-16
    • 招待講演
  • [学会発表] 反応を伴う液相二次元噴流の乱流・非乱流界面近傍での速度・濃度統計量に関する研究2014

    • 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
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2014
    • 発表場所
      東北大学川内北キャンパス 宮城県仙台市
    • 年月日
      2014-09-15 – 2014-09-15
  • [学会発表] Scalar mixing near turbelence -generating grids2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Watanabe,Yasumasa Ito, Kouji Nagata and Yasuhiko Sakai
    • 学会等名
      The 16th International Symposium on flow Visualization
    • 発表場所
      Okinawa convention Center, Okinawa, Japan
    • 年月日
      2014-06-24 – 2014-06-28

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公開日: 2016-06-01  

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