2017 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of statistics and dynamics of near-wall turbulence on the basis of exhaustive four-dimensional analysis
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16H04268
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
後藤 晋 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (40321616)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 乱流 / 数値シミュレーション / 秩序構造 / ４次元解析 / 渦 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２９年度は（前年度までに開発した）複数の異なる境界条件下における乱流の数値シミュレーションプログラムを実行することで順調に研究を進展させることができた。具体的には、壁乱流の典型例である『平行平板間乱流』、『境界層乱流』、『滑らかな容器内乱流』の大規模数値シミュレーションを実行し、その動力学の解明に向けた研究を進めた。主な成果は以下の通りである。
（１）高レイノルズ数の境界層乱流の数値シミュレーションを実行し、得られた乱流の粗視化解析によりこの乱流中の渦の階層構造を同定するとともに、その生成機構を渦力学を用いて解明した。とくに、対数層における小規模乱流渦の生成機構がレイノルズ数の増加とともに質的に変化することを示した。さらに、渦の階層構造の時系列解析（４次元解析）により、渦の生成過程の典型例を示すことができた。（２）平行平板間の発達した乱流を数値シミュレーションし、その渦の階層構造を同定した。また、各スケールの運動が保有するエネルギーと渦の階層との関係を明らかにした。これは壁乱流におけるエネルギーカスケードの物理機構を明らかにするための基盤を与える。（３）平行平板間乱流に輸送される微小固体粒子群の挙動を調べ、そのストークス数依存性を明らかにした。とくに、粒子群のクラスタ構造と渦の階層構造との間の関係を明らかにした。（４）歳差運動をする回転楕円体容器内の乱流の数値シミュレーションを世界で初めて実行し、その３次元の流れ構造を明らかにした。とくに、容器の微小な楕円率が維持される乱流構造に与える影響を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の当初の計画通り、複数の異なる境界条件下における乱流（平行平板間乱流、境界層乱流、滑らかな容器内乱流）の大規模数値シミュレーションプログラムを開発し、これらを実行することができた。このうち、境界層乱流および容器内乱流の２つの数値シミュレーションプログラムに対しては、スーパーコンピュータ（自然科学研究機構のプラズマシミュレータ）のプログラム相談を利用して、プログラムの最適化を行った。その結果、とくに境界層乱流に対してはすでに世界最大級の数値シミュレーションを実行することが可能となった。
さらに、前年度からの大きな進展として、平行平板間乱流と境界層乱流に対しては、本研究課題の特色である「徹底的な４次元解析」を行うためのポストプロセシング法（粗視化等）を実装できたことが挙げられる。この結果、とくに境界層乱流に対しては、当初の計画よりも進んで研究が遂行できた。つまり、研究開始当初までに我々が『一様乱流』に対して開発してきた渦の階層構造の同定法を『非一様乱流』に対しても応用できたことは大きな進展である。
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| Strategy for Future Research Activity |
とくに境界層乱流の動力学や統計の解明に関しては、ここまで順調に研究を進められているので、平成３０年度もこれをさらに進展させる。具体的には、（平成２９年度までの研究で明らかになった）『境界層乱流中の渦の階層構造とその動力学』と『境界層乱流の統計則（壁則やエネルギースペクトルのスケーリング）』との間の関係を明らかにすることを、平成３０年度の目標とする。また、渦の階層構造の生成機構と、いわゆる『エネルギーカスケード過程』との関係の解明も重要な課題である。境界層乱流に関しては、平成３０年度は、さらに大規模な数値シミュレーションを計画しているので、これらの課題に対する決定的な知見が得られると期待できる。
一方、『平行平板間乱流』や『容器内乱流』の数値シミュレーションに対しては、より大きなレイノルズ数の発達した乱流の実現のためには、プログラムの改良（前者に対しては使用するスーパーコンピュータに向けた最適化、後者に対しては２次元分割を用いた並列化）が必要であるので、これを迅速に行う必要がある。平成３０年度の前半にはそれらを終え、後半では境界層乱流と同様の解析手法を用いた『徹底的な４次元解析』を進める。
さらに、当初の研究計画にはなかったが、自由噴流や後流等の数値シミュレーションにも着手する計画である。これらにより、本研究で明らかになりつつある壁乱流の動力学の普遍性を明らかにしていく。
なお、本研究の遂行には、徹底的なポストプロセシングが必須である。独自の可視化ソフトウエアの開発は平成２９年度も進めたが、これを継続して行う。
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