| 研究課題/領域番号 |
26630054
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
後藤 晋 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (40321616)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 乱流 / 混相流 / 固体粒子 / クラスタリング / 輸送現象 / 直接数値シミュレーション / 秩序構造 / 渦 |
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| 研究実績の概要 |
有限の大きさと任意の形状を有する固体粒子群が、高レイノルズ数の乱流中でどのようなふるまいをするのかを明らかとすることを目的として、大規模数値シミュレーションを進めた。とくに、流体とは質量密度が異なる微小な粒子群が乱流中でクラスタを形成するという興味深い現象に着目し、粒子の大きさや形状がこの現象に与える影響を検討するために、新たに『埋め込み境界法』を用いた（流れと固体粒子群の運動を連成させて解く）数値シミュレーションプログラムを作成した。平成26年度当初からこのプログラムの開発を続け、周期境界条件下の乱流中における球形粒子群の運動に対しては、信頼のできるプログラムを完成させた。ただし、研究実施計画では平成26年度中にこの数値シミュレーションの精度検証を終える予定であったが、現在もそれを遂行中である。
ところで、微小な固体粒子群の乱流中におけるクラスタ形成には、乱流中の秩序立った渦が強く影響する。つまり、重い粒子は渦から掃き出される一方で、軽い粒子は渦中心に集中する。したがって、この現象の理解のためには、乱流中の渦構造の理解が不可欠である。平成26年度は、この点に関する理解が大幅に進んだ。とくに、周期境界条件下で複数の異なる種類の外力に駆動される乱流の数値シミュレーションをそれぞれ実行し、これらの乱流中の渦の階層構造を明らかにした。具体的には、高レイノルズ数の乱流中には秩序立った大小さまざまな渦が階層をなして存在し、各階層において、反対向きに旋回する渦どうしが対をなして存在する傾向があることを明らかにした。また、この傾向は外力の種類に依らずに普遍的に確認された。さらに、これらの秩序渦の生成や消滅過程の詳細も明確になった。こららの知見は、高レイノルズ数の乱流中における粒子群のクラスタリングに対する明確な示唆を与える。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
平成26年度はとくに乱流中の秩序渦の階層構造の解明に力を注いだために、当初計画していた固体粒子と乱流の相互作用に関する研究に関しては計画したほどは進展が得られなかった。ただし、乱流中の秩序渦の動力学の解明は本研究課題の基盤を与えるものであり、平成27年度以降の本研究課題の進展を加速するものである。また、計画していた『作成した大規模数値シミュレーションプログラムの精度の検証』については平成26年度内に終えることはできなかったが、現在も順調に遂行中である。なお、達成度が計画よりもやや遅れていることに関しては、これまで使用してきた自然科学研究機構および宇宙航空研究開発機構のスーパーコンピュータの更新に伴う混乱も一因にある。
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| 今後の研究の推進方策 |
上で述べたように、開発したプログラムの精度検証に関しては研究の進捗に若干の遅れがみられる一方で、乱流中の渦構造の理解は計画以上に進展させることができた。したがって、今後は前者をさらに確実進めるとともに、後者で得られた知見を最大限に活かすことで、本研究課題の進展を加速する。
具体的には、平成27年度の早い時期に周期境界条件下の乱流中の粒子群の挙動に関するプログラムの精度検証を終え、その後、本格的なパラメタサーベイを実施することで、平成27年度内には固体粒子群のクラスタリングに対して粒子径が与える影響を系統的に明らかにする。これが計画的に進展すれば、当初の計画通りに研究課題を進めることは十分に可能である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成26年度は大容量ファイルサーバを導入の予定であったが、導入に至らなかった。これは、研究代表者の研究室の異動に伴い、設置場所（電源や空調等）の確保の問題が生じたためである。また、海外（インペリアル カレッジ ロンドン）の共同研究者との研究打ち合わせ費用も予算では計上していたが、平成26年9月に日本学術振興会のロンドン支部がシェフィールド大学において開催した研究集会に招待された際にロンドンに立ち寄ることで綿密な研究打ち合わせが可能であったため、渡航費を節約できた。なお、インターネットを通じた会議を定期的に実施しており、渡航することなしに共同研究を順調に遂行できている。
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| 次年度使用額の使用計画 |
上述の（平成26年度中に導入予定だった）ファイルサーバに関しては、平成27年4月より十分な設置環境が得られたのでこれを早期に導入し、当初の計画通り、スーパーコンピュータ上で実行したシミュレーション結果の解析に用いる。
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