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．

当难以发生分子扩散（高施密特数）的物质在湍流中混合时，理论上预测在微尺度上存在普遍的浓度波动结构（小粘性对流区域）．．尽管多年来人们一直试图验证这一猜想，但由于测量设备的空间分辨率不足和超级计算机的计算性能不足，其普适性尚未得到证明。在本研究中，我们将使用申请人开发的具有极高空间分辨率的光纤式LIF浓度测量装置来测量高施密特数物质在各种湍流混合场中的浓度波动，并研究小区域内粘性对流的影响目的是验证的存在性和普遍性。今年，我们进行了一项实验，在水道中产生网格湍流流场，并使用上述浓度测量装置测量网格下游水道横截面中心的物质浓度波动。测量目标是具有高施密特数（约3000）的荧光染料。在多个雷诺数和多个下游位置进行测量，以研究雷诺数对湍流物质混合速率（即浓度波动衰减速率）的影响。结果表明，无论距晶格的距离或雷诺数如何，粘性扩散区域中的浓度涨落功率谱的形状都可以通过 Batchelor 变量很好地缩放，并且该形状更接近 Kreichnan 型比巴彻勒类型。另一方面，随着雷诺数的减小，粘性对流区域的光谱斜率变得比理论预测的-1更加平缓。研究发现，无论雷诺数如何，浓度波动的离散度在电网附近迅速衰减，并且在下游渐近衰减指数为-1.2的幂律衰减。