乱流の予測制御と乱流要素渦

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12125202
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 宮内 敏雄 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (50016664)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 店橋 護 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (40242276) ; 梶島 岳夫 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30185772) ; 笠木 伸英 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (80107531)
• Keywords: 流体工学 / 熱工学 / エネルギー効率化 / ハイパフォーマンスコンピューティング / マイクロマシン / 直接数値計算 / レーザ計測

Research Abstract

乱流中には流れ場やレイノルズ数に依存しない普遍的な微細渦構造(乱流要素渦)が存在することが明らかにされている.乱流要素渦は散逸スケール程度の直径を持ち,速度乱れ強さ程度の強い回転運動を伴っている.本年度は,熱・物質移動を伴う場での要素渦の解明と制御,壁面近傍における要素渦の制御アルゴリズムの構築と評価,制御を受けた流れ場の機構解明及び要素渦に基づく乱流モデルの検証を行った.宮内は自由せん断乱流における混合遷移現象と乱流要素渦の関係を明らかにするために,スカラー混合を伴う乱流混合層の直接数値計算を行った.乱流中のスカラー等値線のフラクタル次元はレイノルズ数に依らず約2.5であり,理論値とほぼ一致することを明らかにした.また,フラクタル特性を示すスケールの下限は,乱流中に存在する乱流要素渦の直径と良く一致し,その上限は自由せん断流の大規模構造の大きさと同程度であること等を明らかにした.笠木は壁乱流フィードバック制御システムの実現に向けて,乱流の直接数値計算を用いて研究開発を行った.乱流制御のレイノルズ数効果をKL展開を用いて評価し,高Re数では壁近傍の縦渦構造だけでなく20<y+<100に位置する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を示した.また,壁面変形が局所的な壁面吹き出し・吸い込みと同程度の制御効果を与えることを示し,せん断応力センサ群,壁面変形アクチュエータ群からなる制御システムのプロトタイプを試作・評価を行った.梶島は添加物や外力により変調を受けた乱流の構造を解明することを目的とし,固体粒子の回転が粒子分布に及ぼす影響,壁面植毛の効果のスケール解析,空間発展乱流場(拡大・縮小流路)のデータベース構築等を行った.店橋は,一様等方性乱流の直接数値計算結果にフィルター操作を施し,乱流要素渦の階層構造及びスケール間のエネルギー輸送機構を明らかにするとともに,SGSモデルの評価を行った.

Research Products

• [Publications] Tanahashi, M., Nada, Y., Ito, Y., Miyauchi, T: "Local Flame Structure in the Well-Stirred Reactor Regime"Proc.Combust.Inst.. 29(In press). (2002)
• [Publications] Tanahashi, M., Ootsu, M., Fukushima, M., Miyauchi, T.: "Measurement of Coherent Fine Scale Eddies in Turbulent Mixing Layer by DPIV"Engineering Turbulence Modelling and Experiments. 5. 525-534 (2002)
• [Publications] Kajishima, T., Takiguchi, S.: "Interaction between particle clusters and fluid turbulence"Int.J. Heat and Fluid Flow. 23. 639-646 (2002)
• [Publications] 岩本, 鈴木(雄), 笠木: "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] Iwamoto, K., Suzuki, Y., Kasagi, N.: "Reynolds Number Effect on Wall Turbulence : Toward Effective Feedback Control"Int.J. Heat and Fluid Flow. 23. 678-689 (2002)
• [Publications] 笠木, 鈴木(雄), 深潟: "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] Tanahashi, M., Li, Y., Choi, G.M., Miyauchi, T.: "Direct Numerical Simulation of Combustion-Induced Sound in Turbulent Diffusion Flames"Proc. The 9th International Conference on Numerical Combustion. 201-202 (2002)
• [Publications] Miyauchi, T., Tanahashi, M., Nada, Y.: "Behavior of Turbulent Premixed Flame in the Well-Stirred Reactor Regime"China-Japan Workshop on Turbulent Flows. (2002)
• [Publications] Tanahashi, M., Iwase, S., Miyauchi, T.: "Coherent Fine Scale Eddies and Energy Dissipation Rate in Homogeneous Isotropic Turbulence"China-Japan Workshop on Turbulent Flows. (2002)
• [Publications] Miyauchi, T., Tanahashi, M., Takata, N., Iwase, S.: "Scalar Dissipation Rate and Coherent Fine Scale Eddies in Turbulence"Proc.Int.Symp. Dynamics and Statistics of Coherent Structures in Turbulence : Role of Elementary Vortices. 249-258 (2002)
• [Publications] Tanahashi, M., Tsukamoto, Y., Iwase S., Miyauchi, T.: "Coherent Fine Scale Eddies and Energy Cascade in Homogeneous Isotropic Turbulence"Proc.Int.Symp. Dynamics and Statistics of Coherent Structures in Turbulence : Role of Elementary. 259-268 (2002)
• [Publications] Miyauchi, T., Tanahashi, M., Iwase, S.: "Coherent Fine Scale Eddies and Energy Dissipation Rate in Homogeneous Isotropic Turbulence up to Re_λ =220"IUTAM Symp. Reynolds Number Scaling of Turbulent Flow. (2002)
• [Publications] Tanahashi, M., Iwase, S., Tsukamoto, Y., Miyauchi T.: "Turbulence structure and energy cascade in the inertial range"Russian Japanese Symposium, Actual Problems of Computational Mechanics. (2002)
• [Publications] Tanahashi, M., Iwase, S., Siato T., Miyauchi, T.: "Direct Numerical Simulations of Turbulence and Turbulent Combustion by Parallel/Vector Supercomputers"Russian Japanese Symposium, Actual Problems of Computational Mechanics. (2002)
• [Publications] Tanahashi, M., Ito, Y., Fujimura, M., Miyauchi, T.: "Local Flame Structure in Hydrogen-Air Turbulent Premixed Flames"IUTAM Symp. Turbulent Mixing and Combustion. 269-277 (2002)
• [Publications] Tanahashi, M., Nada, Y., Tsukinari, S., Saito, T., Miyauchi, T., Choi., G.M.: "Local Flame Structure of Turbulent Premixed Flames-DNS and CH/OH PLIF-"Proc.the 4th Symp. on Smart Control of Turbulence. 81-91 (2003)
• [Publications] Tanahashi, M., Li, Y., Choi, G.M., Miyauchi, T.: "Direct Numerical Simulation of Combustion-Induced Sound in Turbulent Diffusion Flames"Proc. the 9th International Conference on Numerical Combustion. 201-202 (2002)
• [Publications] Kajishima, T.: "Turbulence due to particle-induced vortices-Influence of particle rotation-"Proc. International Symposium on Dynamics and Statistics in Turbulence : Roles of Elementary Vortices. 301-310 (2002)
• [Publications] Kajishima, T.: "Influence of the particle rotation on particle-laden flows"Proc. 5th JSME-KSME Fluids Engineering Conference. 1155-1160 (2002)
• [Publications] Kajishima, T., Ohta, T., Fujii, S.: "Direct numerical simulation of spatially-developing turbulent flow in an asymmetric plane diffuser"Proc. 5th JSME-KSME Fluids Engineering Conference. 1497-1502 (2002)
• [Publications] Kasagi, N.: "Recent Progress in Active Feedback Control of Wall Turbulence"Invited Paper, Proc. 7th TRA Conference, Turbulence Research Association. 115-135 (2002)
• [Publications] Iwamoto, K., Suzuki, Y., Kasagi, N.: "Nonlinear Interaction of Coherent Structures in Wall Turbulence at Low-to-moderate Reynolds Numbers"IUTAM Symposium on Reynolds Number Scaling in Turbulent Flow. (2002)
• [Publications] Iwamoto, K., Kasagi, N., Suzuki, Y.: "Reynolds Number Effect on Feedback Control of Wall Turbulence"International Symposium on Dynamics and Statistics of Coherent Structures in Turbulence : Roles of Elementary Vortices. 65-74 (2002)
• [Publications] Yoshino, T., Suzuki, Y., Kasagi, N.: "Development of Genetic Algorithm Based Feedback Control System of Wall Turbulence"Proc.The Fifth JSME-KSME Fluids Engineering Conference. (CD-ROM). (2002)
• [Publications] Yoshino, T., Suzuki, Y., Kasagi, N., Kamiunten, S.: "Optimum Design of Micro Thermal Flow Sensor and Its Evaluation in Wall Shear Stress Measurement"Int.Conf.MEMS'03. 193-196 (2003)
• [Publications] 店橋護, 岩瀬識, 菊地伸一郎, 宮内敏雄: "高レイノルズ数乱流におけるコヒーレント微細渦の統計的性質"数理解析研究所講究録. 1285. 15-22 (2002)
• [Publications] 店橋護, 岩瀬識, 塚本佳久, アシュラフ・ウッディン, 宮内敏雄: "乱流の階層構造とコヒーレント微細渦"数理解析研究所講究録. 1285. 23-29 (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), 笠木: "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] 名田譲, 店橋護, 宮内敏雄: "回転乱流中を伝播する水素・空気予混合火炎の直接数値計算"第39回日本伝熱シンポジウム講演論文集. 249-250 (2002)
• [Publications] 店橋護, 岩瀬識, 高田夏来, 宮内敏雄: "乱流のコヒーレント微細渦による局所熱輸送機構"第39回日本伝熱シンポジウム講演論文集. 249-250 (2002)
• [Publications] 吉野, 鈴木(雄), 笠木: "GAを用いた壁乱流フィードバック制御システムの開発に関する研究"日本機械学会2002年度年次大会講演論文集. VII, No.02-1. 37-38 (2002)
• [Publications] 店橋護, 宮本忠弘, 宮内敏雄: "高レイノルズ数平行平板間乱流の微細渦構造"日本機械学会第15回計算力学講演会講演論文集. 545-546 (2002)
• [Publications] 名田譲, 店橋護, 宮内敏雄: "水素・空気予混合火炎の局所構造に対する乱流特性の影響"日本機械学会熱工学講演会講演論文集. 21-22 (2002)
• [Publications] 店橋護, 福地有一, 福里克彦, 宮内敏雄: "高解像度時系列PIVによる乱流計測"日本機械学会熱工学講演会講演論文集. 121-122 (2002)
• [Publications] 店橋護, 岩瀬識, 宮内敏雄: "乱流の微細渦構造と統計的性質"第51回理論応用力学講演会講演論文集. 565-566 (2002)
• [Publications] 名田譲, 店橋護, 宮内敏雄: "乱流予混合火炎の既燃ガス中に形成される未燃混合気塊の特性"第40回燃焼シンポジウム講演論文集. 3-4 (2002)
• [Publications] 店橋護, 福地有一, 斎藤敏彦, 崔敬民, 福里克彦, 宮内敏雄: "高時間・空間分解能時系列PIV"第40回燃焼シンポジウム講演論文集. 131-132 (2002)
• [Publications] 名田譲, 店橋護, 宮内敏雄: "水素・空気乱流予混合火炎の三次元構造と乱流特性"第16回数値流体力学シンポジウム講演論文集. (CD-ROM). (2002)
• [Publications] 宮本忠弘, 店橋護, 宮内敏雄: "高レイノルズ数チャンネル乱流における微細渦のスケーリング則"第16回数値流体力学シンポジウム講演論文集. (CD-ROM). (2002)
• [Publications] 店橋護, 緑川洋祐, 塚本佳久: "一様等方性乱流における乱流微細渦の階層構造とSGSモデル"第16回数値流体力学シンポジウム講演論文集. (CD-ROM). (2002)
• [Publications] 梶島岳夫: "粒子クラスターの形成と崩壊における粒子回転の効果"日本混相流学会年会2002講演論文集. 69-70 (2002)
• [Publications] 奥田 貢, 梶島岳夫: "乱流中での固体粒子群の組織化に対する回転の効果"第16回数値流体力学シンポジウム講演要旨集. (CD-ROM). (2002)
• [Publications] 重森正宏, 梶島岳夫: "固体粒子による壁乱流変調の直接数値解析"第16回数値流体力学シンポジウム講演要旨集. (CD-ROM). (2002)
• [Publications] 野町貴行, 梶島岳夫, 太田貴士: "1方程式型ダイナミックSGSモデル"第16回数値流体力学シンポジウム講演要旨集. (CD-ROM). (2002)
• [Publications] 池野 勉, 山崎隆寛, 梶島岳夫: "支持構造のある管群流れのLES"第16回数値流体力学シンポジウム講演要旨集. (CD-ROM). (2002)
• [Publications] 野町貴行, 井上洋平, 梶島岳夫, 太田貴士: "LESおよびDNSによる回転流路負圧側の再層流化の予測について"日本機械学会関西支部第78期定時総会講演会講演論文集. 14.1-14.2 (2003)
• [Publications] 鎌田淳史, 梶島岳夫, 太田貴士: "温度成層乱流の低マッハ数近似による直接数値シミュレーション"日本機械学会関西支部第78期定時総会講演会講演論文集. 14.3-14.4 (2003)
• [Publications] 田所敬英, 梶島岳夫, 太田貴士: "波数域を限定した操作による壁乱流の抵抗変化に関する数値実験"日本機械学会関西支部第78期定時総会講演会講演論文集. 14.17-14.18 (2003)
• [Publications] 吉野, 鈴木(雄), 笠木, 上運天: "マイクロ熱膜せん断応力センサの動特性"第39回日本伝熱シンポジウム講演論文集. 357-358 (2002)
• [Publications] 吉野, 鈴木(雄), 笠木, 上運天: "乱流能動制御に用いるマイクロせん断応力センサの開発"第52回理論応用力学講演会. 441-442 (2003)
• [Publications] 笠木, 鈴木(雄): "マイクロデバイスによる革新的乱流制御への期待"日本機械学会2002年度年次大会講演資料集. VIIINo.02-1. 85-86 (2002)
• [Publications] 三輪, 遠藤, 笠木: "変形アクチュエータにより誘起される流れの数値シミュレーション"日本機械学会2002年度年次大会講演論文集. VII, No.02-1. 35-36 (2002)