2019 Fiscal Year Annual Research Report
非定常・非平衡乱流の高マッハ数・高レイノルズ数領域への新展開と応用
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18H01367
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
長田 孝二 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (50274501)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邉 智昭 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (70772292)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 乱流 / 風洞実験 / 数値計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
○高レイノルズ・高マッハ数格子乱流：
研究計画通り、格子幅の小さい（最小格子幅5mm）格子で実験を行い、格子幅の1000倍以上下流での計測を行った。このような下流域での計測値は報告されておらず本研究が初である。その結果、x/M=O(10^3)（xは格子からの距離、Mは格子幅）では無次元散逸率が急激に上昇すること、エンストロフィの生産と破壊のバランスが崩れて破壊が卓越すること等がわかった。無剪断乱流混合層の実験では、研究計画通り、鉛直方向の流速差をほぼなくして再実験を行った。熱線流速計から得られる時系列信号にウェーブレット変換を施し解析した結果、構造関数のスケーリング指数に関して混合層領域でコルモゴロフ理論からのずれが大きくなること、そのずれは高次になるほど顕著になること等が明らかになった。格子乱流と無せん断乱流混合層の両方について動的格子を用いた実験装置が完成した。高マッハ数格子乱流については、十字型の格子を用いた計算が終了したので、棒の本数を増やした計算を今後行う。
○高マッハ数噴流の乱流/非乱流界面現象：
研究計画通り、ピストン駆動式シンセティックジェットの基本特性を粒子画像流速計（PIV）により明らかにした。平均流の強さや一様性、等方性の評価を行った。数値計算においては、流体の運動を剛体回転、純剪断、伸長にわける三成分分解のアルゴリズムをまずは非圧縮性乱流噴流に適用した。
○乱流/衝撃波干渉：
研究計画通り、超音速乱流の生成装置を作製し、エタノール微粒子による可視化とピトー管による流速計測を行った。ノズル流入までの圧力損失が大きく設計マッハ数が達成できていないことが判明したので、次年度はノズル前にプレナムチャンバーを設置する改造を行う。数値計算においては、乱流／衝撃波干渉によって衝撃波面の変形が生じることを確認し、変形が干渉距離に依存して変化することを明らかにした。
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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
当初の計画通り、以下の成果を得た。①格子幅の小さい（最小格子幅5mm）格子で実験を行い、格子幅の1000倍以上下流での計測を行った。このような下流域での計測値は報告されておらず本研究が初である。現在、学術誌に投稿準備中である。②無剪断混合層の平均流速を調整して再計測を行い、乱流の間欠性が構造関数に及ぼす影響等を明らかにした。この結果についても、現在、学術誌に投稿準備中である。③ピストン駆動式シンセティックジェットの基本特性を粒子画像流速計（PIV）により明らかにした。④三成分分解のアルゴリズムを非圧縮性乱流噴流に適用した。⑤超音速乱流の生成装置を作製し、性能評価を行うとともに、改良の指針を得た。⑥乱流／衝撃波干渉によって衝撃波面の変形が生じることを直接数値計算（DNS）で確認し、変形が干渉距離に依存して変化することを明らかにした。関連する既往研究では衝撃波面を人為的に固定した計算を行っているため、干渉距離の影響を調べることができず、本研究によってはじめて数値的に明らかにされた。この結果についても、現在、学術誌に投稿準備中である。また、関連する４件の招待講演（うち３件は海外にて講演）を行った。査読付き国際学術誌での成果の公開も６件行った。以上より、研究は当初計画通りに進行しており、新しい結果も得られているので、研究はおおむね順調に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究は計画通りほぼ順調に行うことができたため，今後も継続的に研究を発展させる．具体的には，
①静的格子幅をさらに小さくして計測を行い、エンストロフィの生成／消失と散逸に関する調査を行う。動的格子を用いて高レイノルズ数格子乱流および無剪断混合層の非平衡性を明らかにする。
②三成分分解を高マッハ数噴流に適用し、今年度実施した低マッハ数噴流の場合と比較し、マッハ数の影響を調査する。乱流の間欠性に関する調査も行う。実験においては、ピストン駆動式シンセティックジェットのさらに詳細な解析を行い、高マッハ数乱流場における乱流の非平衡性を調査する。
③高圧タンクと電磁弁を用いた衝撃波発生装置を新たに設計製作し、性能評価を行う。昨年度まで用いていた風洞テストセクション断面積よりも大きな吹出口を有する風洞を用いることで，従来の実験で問題となっていた風洞テストセクション壁面での衝撃波の反射の問題を解決する。数値計算においては乱流との干渉による衝撃波の変形と崩壊現象についてさらに詳細に調査する。
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