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2013 年度 実施状況報告書

粘弾性流体の壁乱流における二方程式およびレイノルズ応力方程式モデルの構築

研究課題

研究課題/領域番号 25420131
研究種目

基盤研究(C)

研究機関東京理科大学

研究代表者

塚原 隆裕  東京理科大学, 理工学部, 講師 (60516186)

研究分担者 川口 靖夫  東京理科大学, 理工学部, 教授 (20356835)
研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワード流体工学 / 乱流 / シミュレーション工学 / 熱工学 / 乱流モデル / 粘弾性流体
研究概要

本研究課題は,二方程式モデルおよびレイノルズ応力方程式モデルをフレームワークとして,ニュートン流体で開発されてきた各種乱流モデルを粘弾性流体について拡張し,流体の粘弾性的寄与や構成方程式自体に要されるモデルを新たに構築することを目的としている.これと平行して,直接数値解法に基づくシミュレーション(DNS)や界面活性剤水溶液などを用いた実験により複雑流路における現象解明と乱流統計量のデータベース構築を行い,提案する粘弾性流体用の乱流モデルの高度化を図る.
今年度は,現在までに構築してきたDNSデータベース(平滑なチャネル流路)に基づき,ニュートン流体用の低レイノルズ数型k-εモデルを粘弾性流体向けに拡張し,粘弾性乱流におけるモデル化およびモデル定数決定の修正点を整理した.検証用のデータベースとして新たに高いレイノルズ数とワイゼンベルグ数についてDNSを実施して,提案する乱流モデルの広範な条件での検証が行えるようになった.k方程式中の粘弾性応力寄与項のモデル化が問題であったが,構成応力の各方向成分について従来よりも定性的に良好な再現性をもたらし得るモデル式を提案した.また,非線形k-εモデルの導入による検証も行い,現状のモデル(従来のニュートン流体向けモデル式)の問題点を明確にした.
複雑流路に適応した乱流モデル構築を念頭におき,今年度は複雑流路内乱流のDNSを実施した.流路としては,3次元形状を有する平板を流れに直交させて設置し,3次元的な剥離・再付着現象の解析を行った.特に,平板後流に生じる大規模な縦渦の特性を評価し,粘弾性流体の流れにおける変化を明らかにした.また,複雑流路の実験系も構築し,界面活性剤水溶液などの粘弾性流体の実験を開始した.

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

今年度の目標である高レイノルズ数・高ワイゼンベルグ数の平滑流路におけるDNS,及びこのデータベースに基づく低レイノルズ数型k-εモデル拡張版の検証と非線形k-εモデルの導入が実施できた.加えて,平板周りの粘弾性流体乱流のDNSを行い,次年度以降の複雑流路における乱流モデルの検証の基盤を構築することができた.水路実験による検証を目的に,今年度はその実験系の製作を行い,概ね完成している.

今後の研究の推進方策

構成方程式中の非線形項のモデル化と渦粘性係数に関るモデル定数の決定は,アプリオリ・テストによって方針が立ってきたが,それら新規モデル式を全て安定させて計算を実行するための工夫が必要となってくる.乱流モデル計算の数値安定性について文献を調査しつつ,高度化を進めていく.一方,OpenFOAMなどのCAEソフトウェアを導入し,複雑流路における流体解析を容易に行えるよう環境を整える.

次年度の研究費の使用計画

研究計画通りに予算を執行したが,当該残金が小額であり適当な使途が発生しなかったため,次年度に繰り越す.
大型計算機利用料の一部にあてる.

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (9件)

  • [雑誌論文] Effect of fluid viscoelasticity on turbulence and large-scale vortices behind wall-mounted plates2014

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Tsukahara, Masaaki Tanabe, Yasuo Kawaguchi
    • 雑誌名

      Advances in Mechanical Engineering

      巻: 2014 ページ: 823138

    • DOI

      10.1155/2014/823138

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Heat transfer in a viscoelastic orifice flow at low to moderate Reynolds numbers2014

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Tsukahara, Tomohiro Kawase, Yasuo Kawaguchi
    • 雑誌名

      Computational Thermal Sciences

      巻: 6 ページ: 79-90

    • DOI

      10.1615/ComputThermalScien.2014006371

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Proposal of damping function for low-Reynolds-number k-ε model applicable in prediction of turbulent viscoelastic-fluid flow2013

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Tsukahara, Yasuo Kawaguchi
    • 雑誌名

      Journal of Applied Mathematics

      巻: 2013 ページ: 197628

    • DOI

      10.1155/2013/197628

    • 査読あり
  • [学会発表] Flow visualization experiment on elasto-inertial turbulence in transitional channel flow2013

    • 著者名/発表者名
      T. Tsukahara, Y. Kawaguchi
    • 学会等名
      12th International Symposium on Fluid Control, Measurements, and Visualization
    • 発表場所
      Nara, Japan
    • 年月日
      20131118-20131123
  • [学会発表] DNS study on vortices induced by flat-plate vortex generator in drag-reducing turbulent flow2013

    • 著者名/発表者名
      M. Tanabe, T. Tsukahara, Y. Kawaguchi
    • 学会等名
      12th International Symposium on Fluid Control, Measurements, and Visualization
    • 発表場所
      Nara, Japan
    • 年月日
      20131118-20131123
  • [学会発表] 粘弾性流体乱流おける低レイノルズ数型k-εモデルの改良2013

    • 著者名/発表者名
      嶺岸卓也,高橋通博,塚原隆裕,川口靖夫
    • 学会等名
      第91期日本機械学会流体工学部門講演会
    • 発表場所
      福岡
    • 年月日
      20131109-20131110
  • [学会発表] Modification of drag-reduced flow by dosing water from the wall: Investigation of turbulent structure by PIV2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Iwaki, M. Motozawa, T. Tsukahara, Y. Kawaguchi
    • 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] 遷移域の平行平板間流れにおいて発生する粘弾性流体の流動不安定と乱流構造変化2013

    • 著者名/発表者名
      塚原 隆裕,川口 靖夫
    • 学会等名
      可視化情報シンポジウム2013
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130716-20130717
  • [学会発表] Investigation on functionality of surfactant solution in turbulent heat transfer downstream of orifice2013

    • 著者名/発表者名
      S. Kawada, T. Tsukahara, Y. Kawaguchi
    • 学会等名
      8th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics
    • 発表場所
      Lisbon, Portugal
    • 年月日
      20130616-20130620
  • [学会発表] Budget of constitutive stress in viscoelastic turbulent channel flow by DNS2013

    • 著者名/発表者名
      T. Minegishi, T. Tsukahara, Y. Kawaguchi
    • 学会等名
      4th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow
    • 発表場所
      Hong Kong
    • 年月日
      20130603-20130606
  • [学会発表] Improvement of low Reynolds number k-ε model for viscoelastic fluid flow2013

    • 著者名/発表者名
      M. Takahashi, T. Tsukahara, Y. Kawaguchi
    • 学会等名
      4th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow
    • 発表場所
      Hong Kong
    • 年月日
      20130603-20130606
  • [学会発表] Viscoelastic turbulent channel flow obstructed with three-dimensional finite ribs2013

    • 著者名/発表者名
      M. Tanabe, T. Tsukahara, Y. Kawaguchi
    • 学会等名
      4th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow
    • 発表場所
      Hong Kong
    • 年月日
      20130603-20130606

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公開日: 2015-05-28  

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