Study of Instability and Turbulent Transition of Helical Vortices

螺旋涡的不稳定性和湍流转变研究

基本信息

批准号：
21H01242
负责人：
服部裕司
金额：
$ 6.82万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究の目的は、らせん渦が不安定化し乱流遷移する過程と、遷移後の流れの性質を、物理的素過程としての不安定性に基づいて体系的に解明することである。らせん渦を特徴づける複数のパラメータ（太さ・捩り・軸流・本数・レイノルズ数）と擾乱の性質に対する依存性の全貌を明らかにする。令和4年度は、乱流遷移の端緒となる不安定性の全貌を明らかにすることを目的として、長波長不安定性による乱流遷移過程についての研究、さらに短波長不安定性による乱流遷移過程についての研究を行った。実験によれば、長波長不安定性によるらせん渦の大変形が相互誘導型の不安定性を誘発して乱流遷移を引き起こす可能性がある。まず線形化方程式の直接数値シミュレーションにより長波長不安定モードを求め、その構造と成長率が理論による予測に近いことを確認した。次に、得られた長波長不安定モードを微小擾乱として基本流であるらせん渦に加え、非線形方程式の直接数値シミュレーションを行った。その結果、らせん渦の一部が自分自身と切りつなぎを起こすことで、らせんのピッチが倍になる現象を発見した。同時に渦輪が形成され、らせん渦から分離して運動することもわかった。次に短波長不安定性による乱流遷移過程について、前年度得た結果を弱非線形理論により解明する研究を行った。楕円型不安定性の最も基本的なモードの場合に振幅方程式を導き、その係数をモード構造から計算した。これにより、非線形飽和の条件を導くとともに、らせんの渦核が直接乱流遷移するかどうかの判定条件を導き、弱非線形理論の結果と直接数値シミュレーションの結果を比較して、矛盾がないことを示した。以上の結果は、乱流遷移の過程と遷移後の流れの性質を明らかにするために重要なものである。

这项研究的目的是系统地阐明破坏螺旋涡流和湍流过渡的稳定过程以及在过渡后基于其作为物理基本过程的不稳定性的流量的特性。我们将阐明表征螺旋涡流（厚度，扭转，轴向流，线数，雷诺数）和干扰性能的多个参数的全部依赖性。在2022年，由于长波长的不稳定，我们对湍流过渡过程进行了研究，还研究了由于短波长不稳定而导致的湍流过渡过程，目的是阐明标志着湍流过渡的开始的全部不稳定性。实验表明，由于长波长不稳定性引起的螺旋涡流的大变形会诱导互轴的不稳定性，从而导致湍流过渡。首先，我们通过直接对线性化方程的数值模拟确定了长波长不稳定模式，并确认其结构和生长速率接近基于理论的预测。接下来，将获得的长波长不稳定模式添加到螺旋涡流中，即基本流量，作为微渗透，并对非线性方程进行了直接的数值模拟。结果，我们发现螺旋涡流的部分切割并自身连接，从而使螺旋螺旋脉的音调增加了两倍。还发现，涡旋环同时形成，与螺旋涡流分开并移动。接下来，我们进行了一项研究，以阐明去年由于短波不稳定而导致的湍流过渡过程获得的去年获得的结果。振幅方程是针对椭圆不稳定性的最基本模式得出的，并根据模式结构计算了系数。这得出了非线性饱和度的条件，还确定了螺旋形的涡流核是否直接转变为湍流，并将弱非线性理论的结果与直接数值模拟的结果进行了比较，表明没有矛盾。上述结果对于阐明湍流过渡过程和过渡后流动性质很重要。