非定常不規則境界を有する高Reynolds数乱流場へのLES法の適用

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 03J01359
• Research Institution: Kagawa University
• Principal Investigator: 横嶋 哲 香川大学, 工学部, 特別研究員(PD)
• Keywords: 国際情報交換 / アメリカ / 数値流体力学 / ラージ・エディ・シミュレーション / レイノルズ平均乱流モデル / 気液二相流 / レベルセット法 / 自由水面

Research Abstract

自由水面や粗面といった非定常不規則境界を有する高Reynolds数乱流場は工学や地球物理学で取り扱われる応用場に遍在する。本研究は信頼性の高い乱流予測法であるLES[Large-Eddy Simulation]法を用いてそのような流れ場の予測法を提案するもので、研究初年度である本年度は、1.時々刻々と変形する自由水面を追跡する手法のLS[Level Set]法と、2.乱流予測法であるLES法、に関する研究を同時並行で進めた。
1.LS法については、従来用いられてきた古典的な方法だけでなく、気液界面での不連続量を高精度に捉えるBoundary-Condition-Capturing法や、体積/質量保存性や気液界面の運動の捕獲精度を飛躍的に向上するParticle LS法についても検討し、有用性を確認した。次にLS法の応用例として、構築された手法を河床に凹部形状を有する開水路乱流場に適用した。実験結果との比較により、大きく変形する水面形状を精度良く追跡できることを概ね確認した。乱流モデルには二方程式k-omegaモデルを利用し、気液界面を密度成層流の極端な場合と捉えて界面近傍の乱れの減衰効果を反映することで、基本的な乱流統計量も精度良く予測できることも確かめた。
2.LES法については、モデルに必要な係数を流れ場の状態に応じて動的に算出するダイナミック型モデルの中から、特に有用性が高いと考えられるものを選出し、いくつかの流れ場において比較評価を行っている。平行平板間流れや正方ダクト流ではモデルの予測結果に極端な差異は見られないが、渦粘性型モデルにエネルギー散逸を担わせ、スケール相似則に基づくBardina型モデルで逆カスケードを表現する、混合型のモデルがいずれのケースにおいても良好な結果を与えることを確認した。