乱流要素渦による乱流理論・予測・制御の新展開

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12125101
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 木田 重雄 核融合科学研究所, 理論シミュレーション研究センター, 教授 (70093234)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮内 敏雄 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (50016664) ; 新野 宏 東京大学, 海洋研究所, 助教授 (90272525) ; 西岡 通男 大阪府立大学, 大学院・工学研究科, 教授 (60081444) ; 近藤 次郎 国際科学技術財団, 理事長 ; 宮嵜 武 電気通信大学, 大学院・電気通信学研究科, 教授 (50142097)
• Keywords: 乱流 / 要素渦 / 乱流理論 / 乱流予測 / 乱流制御

Research Abstract

本特定領域研究の構成メンバーと国内外の関連する研究者による3日間の国際シンポジウム'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'を開催し,これまでの研究成果と今後の展開の方向についての討論を行なった。
本特定領域研究では,分野ごとに分けた4つの研究班が互いに緊密な連携を図りながら進めてきた。各研究班の主たる研究成果は以下の通りである。
(1)「乱流要素渦の構造と力学」(i)乱流中の流体線の長さと流体面の面積がどちらも,指数関数的に増加することを示し,その増加率を正確に求めた。(ii)乱流中の管状旋回渦は,反平行に揃う傾向があること,そして,反平行渦対が流体線や流体面の伸張過程に大きく寄与していることを見出した。(iii)圧縮性の存在が渦の成長を抑制することを示した。
(2)「乱流要素渦と組織構造の形成と発達」(i)回転剪断乱流では,平均絶対渦度がゼロの場で渦管構造が安定に持続される機構を明らかにした。(ii)超音速キャビティ振動の自励振動の周波数予測式を導出し,実験でその妥当性を検証した。(iii)キャビティ振動による小スケール渦を超音速縦渦混合場に注入する実験を行い,超音速混合促進に有利な流れを得た。
(3)「環境乱流の構造と乱流要素渦」(i)竜巻とポーラーロウを数値シミュレーションに基づいて調べ,両者とも現実的な渦の再現に成功し,基本的な発生過程と構造を明らかにした。(ii)海洋レーダーにより対馬海峡に亜中規模渦を発見した。(iii)風波乱流場の気液界面を通しての物質移動速度および乱流構造に及ぼすうねりの影響を室内実験により明らかにした。
(4)「乱流の予測制御と乱流要素渦」(i)壁乱流フィードバック制御システムの実現に向けて,壁近傍の縦渦構造や壁面から離れた渦構造を制御対象とするアルゴリズムが効果的であること等を明らかにした。(ii)固体粒子の回転が粒子分布に及ぼす影響,壁面植毛の効果を明らかにした。(iii)乱流要素渦の階層構造とスケール間のエネルギー輸送機構の解明及びSGSモデルの評価を行った。

Research Products

• [Publications] S.Kida: "Reynolds-number dependence of low-pressure vortex in turbulence"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 229-238 (2002)
• [Publications] S.Kida: "Low-pressure vortex analysis in turbulence : Life, structure and dynamical role of vortices"Proc. IUTAM symposium 'Tubes, Sheets and Singularities in Fluid Dynamics'. (In print). (2002)
• [Publications] 木田重雄: "乱流要素渦--その構造とはたらき"ながれ. 21. 488-494 (2002)
• [Publications] 木田重雄: "乱流変動のレイノルズ数依存性(2002)"九州大学応用力学研究所研究集会報告. 13ME-S2. 96-101 (2002)
• [Publications] 木田重雄: "乱流渦の構造とはたらき(2002)"高等研報告書. 0240. 29-38 (2002)
• [Publications] 木田重雄: "乱流要素渦--低圧力渦を通して見えてきたもの"パリティ. 18. 13-19 (2003)
• [Publications] S.Yanase: "Positive feedback mechanism to generate coherent vortical structures in rotating shear flow turbulence"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 159-174 (2002)
• [Publications] 柳瀬眞一郎: "回転流体中の秩序渦の生成機構"京都大学数理解析研究所講究録. 1285. 1-14 (2002)
• [Publications] T.Makihara: "Automatic tracking of low-pressure vortex"J. Phys. Soc. Japan. 71. 1622-1625 (2002)
• [Publications] 槙原孝文: "等方乱流中の低圧力渦の構造"京都大学数理解析研究所講究録. 1285. 30-36 (2002)
• [Publications] G.Kawahara: "Time-periodic solutions for plane Couette flow"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 129-140 (2002)
• [Publications] 河原源太: "直線渦管に巻き込まれたらせん渦層のエネルギー散逸"京都大学数理解析研究所講究録. 1285. 45-54 (2002)
• [Publications] N.Ishihara: "Dynamo mechanism in a rotating spherical shell : Competition between magnetic field and convection vortices"J. Fluid Mech.. 465. 1-32 (2002)
• [Publications] N.Ishihara: "Equatorial magnetic dipole field intensification by convection vortices in a rotating spherical shell"Fluid Dyn. Res.. 31. 253-274 (2002)
• [Publications] G.Goto: "A multiplicative process of material line stretching by turbulence"J. Turbulence. 3. 17 (2002)
• [Publications] G.Goto: "Stretching of materical surfaces in isotropic turbulence"Proc. 9th. Euro. Turb. Conf.. 125-128 (2002)
• [Publications] G.Goto: "Mixing enhancement by anti-parallel pairs of elementary vortices (2002)"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 103-114 (2002)
• [Publications] 後藤 晋: "流体面の伸長率に対するBatchelor仮説の破綻"京都大学数理解析研究所講究録. 1285. 193-200 (2002)
• [Publications] H.Miura: "Analysis of vortex structures in compressible isotropic turbulence"Journal : Comp. Phys. Comm.. 147. 552-554 (2002)
• [Publications] H.Miura: "Suppression of vortical motions due to compressibility in decaying isotropic turbulence"Proc. 9th. Euro. Turb. Conf.. 865 (2002)
• [Publications] H.Miura: "Suppression of concentrated vortices by generation of acoustic waves in isotropic turbulence"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 239-248 (2002)
• [Publications] T.Miyazaki: "Numerical Validation of Quasigeostrophic Ellipsoidal Vortex Model"J. Phys. Soc. Japan. 71. 2687-2699 (2002)
• [Publications] 高橋 直也: "秩序渦と乱流場の相互作用について"ながれ. 21. 497-498 (2002)
• [Publications] S.Toh: "A periodic-like solution in channel flow"J. Fluid Mech.. 481. 67-76 (2003)
• [Publications] 藤 定義: "波の魅力とその数理"数理科学. 478. 5-12 (2003)
• [Publications] 藤定義: "アクティブスカラー乱流における2粒子拡散"高等研報告書. 0240. 107-116 (2002)
• [Publications] 黒瀬良一: "気流中の粒子に働く流体力"粉体工学会誌. 39. 353-361 (2002)
• [Publications] A.Masuda: "Quasi-geostrophic turbulence in a one-layer ocean affected by horizontal divergence"Statistical Theories and Computational Approaches to Turbulence. 327-340 (2002)
• [Publications] A.Mori: "Time evolution of nonlinear horizontal convection : Its flow regimes and self-similar solutions"J. Atmos. Sci.. 59. 1841-1856 (2002)
• [Publications] K.Nagata: "Effects of Heavy-Oil Contamination on CO2 Transfer across the Air-Water Interface"Trans. JSME Ser. B. 68. 1871-1877 (2002)
• [Publications] 中村 彰呉: "大気大循環モデル中の中間規模東進波に伴う速度場擾乱とジオポテンシャルハイト場擾乱"九州大学大学院総合理工学報告. 24. 323-326 (2002)
• [Publications] M.Ni: "General Second-Order Projection Formulas for Unsteady Flows"AIAAJ. 40. 1464-1467 (2002)
• [Publications] A.Okuno: "Effect of horizontal divergence on the geostrophic turbulence on a beta-plane : suppression of the Rhines effect horizontal divergence"Physics of Fluids. 15. 56-65 (2003)
• [Publications] 杉原裕司: "風波気液界面におけるガス交換係数の実験式に関する研究"九州大学大学院総合理工学報告. 24. 15-21 (2002)
• [Publications] 烏谷 隆: "対馬・志賀島における二酸化炭素計測"九州大学応用力学研究所所報. 124. 39-41 (2003)
• [Publications] 津守博通: "風波パラメータを用いたガス交換係数の実験式"海岸工学論文集. 49. 86-90 (2002)
• [Publications] 津守博通: "水表面乱流の微細構造に着目したガス交換機構の研究"海岸工学論文集. 49. 91-95 (2002)
• [Publications] W.Yanase: "High-resolution simulation of a polar low"Geophys. Res. Letters. 29. 1658
• [Publications] M.K.Yoshioka: "Significance of non-rotational wind stress in the seasonal variation of continental torque"Tellus. 54A. 390-405 (2002)
• [Publications] S.Komori: "The Effects of Swell on Turbulence Structure and Mass Transfer at the Sheared Wavy Air-Water Interface"Proc. of The 5th JSME-KSME Fluid Engineering Conference. 322-325 (2002)
• [Publications] A.Masuda: "Spectral evolution of quasi-geostrophic turbulence on f-and _-planes"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 193-206 (2002)
• [Publications] A.Masuda: "Experiment of Side-Band Instability for Surface Waves Generated Mechanically-fine structure and amplitude vacillation seeded by seiches"Proc. 12th International Offshore and Polar Engineering Conference. 203-210 (2002)
• [Publications] H.Niino: "Dynamics and structure of violent atmospheric vortices"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 175-192 (2002)
• [Publications] 柳瀬眞一郎: "立方体箱内自然体流の遷移に関する数値的研究"日本機械学会論文集B編. 66. 997-1003 (2002)
• [Publications] S.Yanase: "Evolution of three-dimensionality in a backward-facing step flow"Computational Fluid Dynamics JOURNAL. 11. 208-212 (2002)
• [Publications] S.Yanase: "Laminar flows through a curved rectangular duct over a wide range of the aspect ratio"Fluid Dynamics Res.. 31. 151-183 (2002)
• [Publications] M.Asai: "The Instability and Breakdown of a Near-Wall Low-Speed Streak"J. Fluid Mech.. 455. 289-314 (2002)
• [Publications] 浅井雅人: "壁面吸込みによる平板上境界層の再層流化と再遷移"日本機械学会論文集(B編). 68. 1016-1021 (2002)
• [Publications] N.Saitoh: "Development of Localized Disturbances from an Oscillating Point Source in Compressible Boundary Layers"Trans. Jpn. Society Aeronautical and Space Sciences. 45. 211-216 (2003)
• [Publications] Y.Murakami: "Stability of a Pair of Planar Counter-Rotating Vortices in a Rectangular Box"Fluid Dynamics Research. 31. 1-12 (2002)
• [Publications] 須浪徹治: "縦渦導入型燃料噴射ストラットの超音速混合燃焼実験(第1報)"日本航空宇宙学会論文集. 50. 135-141 (2002)
• [Publications] 西岡通男: "超音速キャビティ流の振動機構に関する考察 第1報 圧縮波の発生と伝播の過程"日本流体力学会誌. 21. 280-294 (2002)
• [Publications] 西岡通男: "超音速キャビティ流の振動機構に関する考察 第2報 振動周波数予測式の提案"日本流体力学会誌. 21. 368-378 (2002)
• [Publications] Y.Konishi: "Experimental Investigation of the Instability of Laminar Low-Speed"Proc. 9th Asian Congress of Fluid Mechanics. (CDROM). 42 (2002)
• [Publications] M.Asai: "Development of the Streaky Structure in a Boundary Layer Disturbed by Turbulent Fluctuations"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 25-36 (2002)
• [Publications] M.Nishioka: "Streamwise Vortices as a Powerful Means for Supersonic Mixing Enhanscement"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 217-228 (2002)
• [Publications] 西藤直人: "圧縮性境界層の安定性:定在クロスフロー撹乱と楔状波動撹乱"航空宇宙技術研究所特別資料. 54. 68-70 (2002)
• [Publications] 小西康郁: "ストリーク不安定のモード選択性に関する実験的研究"京大数理解析研究所講究録. 1285. 100-105 (2002)
• [Publications] M.Tanahashi: "Local Flame Structure in Hydrogen-Air Turbulent Premixed Flames"IUTAM Symp. Turbulent Mixing and Combustion. 269-277 (2002)
• [Publications] M.Tanahashi: "Measurement of Coherent Fine Scale Eddies in Turbulent Mixing Layer by DPIV"Engineering Turbulence Modelling and Experiments. 5. 525-534 (2002)
• [Publications] T.Kajishima: "Interaction between particle clusters and fluid turbulence"Int. J. Heat and Fluid Flow. 23. 639-646 (2002)
• [Publications] 岩本: "壁乱流に対するレイノルズ数効果(より効果的なフィードバック制御に向けて)"日本機械学会論文集. 68B,671. 2042-2049 (2002)
• [Publications] K.Iwamoto: "Reynolds Number Effect on Wall Turbulence : Toward Effective Feedback Control"Int. J. Heat and Fluid Flow. 23. 678-689 (2002)
• [Publications] 笠木: "壁面乱流の知的能動制御"「乱流の制御」,パリティ,丸善. 18(2). 20-26 (2002)
• [Publications] K.Iwamoto: "Reynolds Number Effect on Feedback Control of Wall Turbulence"Proc. Int. Symp. Dynamics and Statistics of Coherent Structures in Turbulence : Roles of Elementary Vortices. 65-74 (2002)
• [Publications] 梶島岳夫: "固体粒子を含む流れの直接シミュレーション"ながれ. 21. 221-229 (2002)
• [Publications] 鈴木(雄): "マイクロデバイスを用いた熱流体のアクティブ制御"マイクロ マシン技術総覧. 737-748 (2003)
• [Publications] T.Miyauchi: "Scalar Dissipation Rate and Coherent Fine Scale Eddies in Turbulence"Proc. Int. Symp. Dynamics and Statistics of Coherent Structures in Turbulence : Roles of Elementary Vortices. 249-258 (2002)
• [Publications] M.Tanahashi: "Coherent Fine Scale Eddies and Energy Cascade in Homogeneous Isotropic Turbulence"Proc. Int. Symp. Dynamics and Statistics of Coherent Structures in Turbulence : Roles of Elementary. 259-268 (2002)