2019 Fiscal Year Research-status Report
Computational physics on universality of three-dimensional homogeneous anisotropic turbulence at large and small scales
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17K05573
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
芳松 克則 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (70377802)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 乱流 / 計算物理 / 直接数値計算 / 自己相似性 / 不変性 / 普遍的構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、大規模直接数値計算（DNS）により（１）乱流の大スケールのある種の時間不変性に起因する乱流の減衰則、ならびに、（２）典型的な非等方外力の乱流の小スケールへの影響に関する統計則、を解明することである。規範的な乱流である３次元非圧縮性一様乱流を対象に研究を実施した。周期箱中の非圧縮性乱流の高精度高解像度のDNSを、エリアスエラーを除去したフーリエスペクトル法および4次精度ルンゲクッタ法を用いて実施した。
3次元非圧縮一様乱流場中のパッシブスカラー源のないパッシブスカラー場の減衰について研究を行った。初期時時刻でのスカラースペクトルが、十分に小さな波数kに対して kの二乗に比例するパッシブスカラー場を対象とした。 スカラー拡散係数と動粘性係数との比は１とした。また、速度場には非等方な外力を課した。速度場は外力の影響によりエネルギー保有領域で非等方性が時間とともに増大する。にもかかわらず、十分発達したパッシブスカラー場の非等方性の程度は時間にほとんど依存しないことをDNSにより示した。この結果は、本研究で得られた理論解析と整合する。外力の影響により小スケールの速度場の非等方が強くなるほど、パッシブスカラー場での小スケールにおける自己相似性の欠如が顕著になることを示した。
鉛直方向に強い密度成層をもつ乱流の（水平方向速度成分の）エネルギー減衰に、成層の強さ依存性、レイノルズ数依存性、大スケールの解像度依存性について調べた。大スケールの解像度は初期エネルギースペクトルのピーク波数kpを代表量とした。このkp＝40、80のDNSを比較したところ、kp=80のDNS結果はkp=40のDNS結果に比べ減衰がやや早いことが見て取れた。この傾向は、調べた範囲では、成層の強さ、レイノルズ数に依らなかった。このことは、さらに大規模なDNSの必要性を示唆している。
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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
任意の非等方性、非対称性を持った、初期インパルスがゼロでない自由減衰乱流、およびパッシブスカラー乱流の減衰に関して研究を行った。理論解析とDNSにより、この乱流が十分発達しても、初期にある非等方性や鏡面非対称性が、永続することを示した。これらの成果をまとめた論文３報がPhys. Rev. Fluids誌に掲載された（これらの論文は「名古屋大学レポジトリ」からもダウンロードできる）。うち1報がEditors’ Suggestionに選出された。また、速度異成分間に相関がある乱流、および、強い密度成層下での乱流の予備的なDNSを行い、理論解析の結果と概ね整合する結果を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
大規模DNSと理論解析により、乱流の大スケールのある種の時間不変性に起因する減衰則に関する研究を進め、成果を取りまとめる。特に、より一般的な非等方性を持った初期場を用いた大規模なDNSを実施し、速度異成分間の相関の減衰について研究をさらに進める。また、強い密度成層下での乱流の大規模DNSも実施する。
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| Causes of Carryover |
DNSデータの保存量を減らして名古屋大学のスーパーコンピュータシステムの利用料を抑え、2,3月に出張しなかったため。未使用額については、速度異成分間の相関がより強い初期場など、様々な非対称性の程度の強さをもった初期場に対して大規模DNS、および、成層乱流のDNS実行のための計算利用料にあてるとともに、国内外において成果を発表するための経費として利用する。
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