高シュミット数物質の乱流混合における微小スケール普遍性の実験的検証

高施密特数材料湍流混合微尺度普适性的实验验证

基本信息

批准号：
21K03851
负责人：
岩野耕治
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

分子拡散が起こりづらい（=高シュミット数）物質が乱流中で混合されるとき，微小スケールに普遍的な濃度揺らぎの構造（粘性対流小領域）が存在することが理論的に予想されている．長年，この予想の検証が試みられてきたが，計測装置の空間分解能不足や，スパコンの計算性能不足のため，未だに普遍性の実証には至っていない．本研究では，申請者の開発した極めて高い空間分解能を持つ光ファイバ型LIF濃度計測装置を用いて，様々な乱流混合場で高シュミット数物質の濃度変動を計測することで，粘性対流小領域の存在，及びその普遍性を検証することを目的としている．本年度は，水路内に格子乱流場を生成し，上記の濃度計測装置を用いて格子下流の水路断面中心において物質濃度変動を計測する実験を実施した．計測対象は高シュミット数（3000程度）の蛍光染料である．計測は複数のレイノルズ数，複数の下流位置で行い，乱流物質混合の速度，すなわち濃度変動の減衰の速さに及ぼすレイノルズ数の影響を調査した．その結果，濃度変動パワースペクトルの形状は，粘性拡散領域においては格子からの距離やレイノルズ数によらずバチェラー変数により良くスケーリングされること，及びバチェラー型よりもクライチナン型に近い形状となることが明らかとなった．一方，粘性対流領域のスペクトルの傾きは，レイノルズ数が小さいほど理論で予測される－1よりも緩やかになることが明らかとなった．濃度変動の分散については，格子近くで急速に減衰し，下流ではレイノルズ数によらず減衰指数－1.2のべき乗減衰に漸近することが分かった．

从理论上讲，当湍流中混合了难以传播的材料（=高施密特数）时，显微镜上会有浓度波动（小粘性对流区域）的通用结构。尽管已经尝试验证这一预测多年，但由于缺乏测量设备的空间分辨率和超级计算机的计算性能，但尚未证明它可以证明普遍性。这项研究旨在通过使用极高的空间分辨率光纤型LIF浓度测量设备开发的高schmidt-number物质的浓度波动来验证小粘性对流区域的存在和普遍性。今年，我们进行了一个实验，在水道上生成了晶格湍流场，并使用上述浓度测量装置来测量晶格下游通道部分中心的材料浓度波动。测量目标是具有高施密特计数（约3,000）的荧光染料。在多个雷诺数和下游位置进行测量，雷诺数对湍流物质混合速度的影响，即浓度波动的速度衰减。结果，可以揭示粘性扩散区域中浓度波动功率谱的形状，无论与晶格或雷诺数的距离如何，学士学位变量都可以更好地缩放，并且与单身类型相比，该形状更接近Claytinan类型。另一方面，已经揭示了粘性对流区域光谱的斜率比预测-1的理论慢。发现浓度波动的分散在晶格附近迅速衰减，在下游，它渐近地与-1.2的衰减指数的功率衰减，无论雷诺数如何。