2017 Fiscal Year Research-status Report
臨界点近傍ヘリウムのマルチスケール熱流動のダイナミクスとそのユニバーサリティ
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15K05852
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
岡村 崇弘 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (90415042)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 直接数値計算 / 超臨界ヘリウム / 放出シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
3年次は以下３点を行った．
１つめは Prが1近傍についての直接数値計算結果の解析の続きである．このPr数が１近傍の取り扱いについては，２年次に離散化手法について計算効率も考慮して最適と考えうるスキームを適用している．具体的には時間に関してはRKW-3法，空間の特に非線形対流項については数値粘性のない２次精度中心差分を用いて，局所レイリー数が1E+12近傍までの空間発展の様子を解析を続けた．結果はまとまり次第投稿する．
２つめはPr>>1で見られる速度場の最小スケールと温度場の最小スケールにおいて隔離が生じるような系における計算コードの開発を行ってきた．この計算はprimitive functionとメモリ使用量の関係からGPUではなくCPUを用いた計算コードに変更し，さらに妥当性を効率的に検証するためにまずは２次元コードから作成した．計算モデル・コードの妥当性を見るためには，極力離散化処理に伴う数値粘性・数値振動等のゴースト解の出現を抑える必要が有り，本年度は２次元の等間隔メッシュを採用し，特に空間離散化については5次精度コンパクトスキームを用い，境界部その隣接ノードについてはそれぞれ３次精度・４次精度のコンパクトスキームを用いている．コンパクトスキームの不等間隔メッシュへの拡張‥３次元化については現在調査中である．
３つめはアプリケーションとして超臨界状態のヘリウムガスが大気に放出された際の周囲の酸素濃度の時間変動をみるための放出挙動予測計算を行った．これは１成分系から２成分系の拡張が必要であるが，計算スキーム等は流用した．極低温のヘリウムが室温環境下に放出されるため，濃度勾配が熱流に寄与する効果，温度勾配が物質流束に寄与する効果（オンサーガーの相反定理）を考慮する必要があるが，簡単のためにこれらの拡散係数はゼロとしている．これについては第一報を学会にて報告した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
Prが１近傍については最終的なまとめを残している以外概ね終了している．一方でPr>>1で見られるマルチスケールの流れ場を明らかにするためのモデリングについて時間を要している点である.実績の概要でも記したように解析体系を２次元系にしていることから，速度場と温度場の挙動の違いをエネルギースペクトルから調べる際に注意が必要である．そのためコードの３次元化が重要となるが，３次元化に伴い格子の不等間隔化が必要不可欠であるが不等間隔格子を用いたコンパクト差分化に時間を要している．一方で極低温の超臨界ヘリウムが空気中に放出される問題でも高プラントル数から空気のように0.7程度のプラントル数のものまで共存しているが，これも本研究と共通する部分が多く有り，工学的応用という知見でとりかかっている．上記概要で記した極低温故に付加的に働く効果などについては現時点では考慮しておらず，今後の課題である．
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| Strategy for Future Research Activity |
プラントル数が１近傍の場合についての解析手法からデータ解析結果については今年度前半までに行い結果を学会等で発表する予定である．高プラントル数領域については継続して，２次元コードから３次元コードへの拡張を行い，既存の実験データ等と整合性の比較調査を行う．アプリケーションとして超臨界状態のヘリウムガスが大気に放出された際の周囲の酸素濃度の時間変動については，現状のモデリングで簡略化した部分について検証する．極低温ヘリウムの空間への放出事象は大規模であり，実験的検証は不可能に近いところがあるものの，世界的に見て数例極低温ヘリウムの放出実験が報告されている．こうした測定結果とモデルを比較することで，極低温流体と室温流体間において考慮する可能性のある濃度勾配が熱流に寄与する効果，温度勾配が物質流束に寄与する効果（オンサーガーの相反定理）について検討する．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が発生した理由については，現在臨界点近傍の高プラントル数領域のシミュレーションが完結していないことに起因している．また同様に臨界点近傍においてプラントル数が1のオーダーにおける粘性流が支配的となる領域における解析結果について学会での発表・論文投稿を実施する予定ある．上記2点について遅延があることから1年の延長を申請します.
予算の使用計画については，テストチャネルの製作・計算機ハードディスク（６TBｘ２台）程度を補填するために使用する予定である．また学会での発表・論文投稿に使用する予定である．
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