渦の階層から探る壁乱流の物理とそれに基づく工学応用

从涡层次探究壁面湍流物理及其工程应用

基本信息

批准号：
20J10399
负责人：
本告遊太郎
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

２種類の十分に発達した壁乱流（乱流境界層および平行平板間乱流）の大規模数値シミュレーションを実行し、得られたデータを徹底的に解析することで、壁乱流中に潜む渦の階層の実態とその生成維持機構を明らかにした。具体的には、得られた壁乱流の巨大な数値データをそのまま扱うのではなく、渦の大きさ毎に分解することで、大小さまざまな渦の階層の詳細な解析を可能にし、多くの重要な知見を得た。たとえば、十分に発達した壁乱流中において、各高さにおける最も大きな構造（つまり、壁面からの距離程度の構造）は、流れ方向を向く縦渦（もしくはヘアピン状の渦）と流れ方向に伸びたストリーク構造によって構成される。これらの秩序構造は、自己維持的に共存し、平均流からエネルギーを受け取る。一方で、それより小さな渦は、より大きな渦による渦伸長により生成される。このとき、エネルギーも同時に伝達される。つまり、いわゆるエネルギーカスケード現象が、壁乱流中の対数層における小さな渦の生成機構であることを数値的に実証した。さらに、高レイノルズ数の平行平板間乱流中の慣性粒子の数値シミュレーションを新たに実行し、渦の階層に基づく解析を行うことで、乱流輸送現象を明らかにした。具体的には、渦とストリーク構造の階層を客観的に同定することで、粒子の輸送に対して秩序構造の階層が果たす役割を明らかにした。慣性粒子は、エアロゾルや気泡の簡易なモデルでもあり、本研究で得られた乱流輸送に関する知見は、工学応用に直結する。

通过对两个发达的壁湍流（湍流边界层和平行板湍流）进行大规模数值模拟，并彻底分析所获得的数据，我们已经阐明了潜伏在壁湍流中的涡流层次层的实际状态以及维持其一代的机制。具体而言，可以将其分解为每个涡流大小，而不是处理所获得的壁湍流的巨大数值数据，从而详细分析各种尺寸的涡流，并获得许多重要的见解。例如，在发达的壁湍流中，每个高度处的最大结构（即，距墙壁的距离约为距离）是由垂直涡流（或类似发夹的涡流）组成的，该结构面向流动的方向和流动方向延伸的条纹结构。这些秩序结构以自我维持的方式共存，并从平均电流中接收能量。另一方面，由于较大的涡旋而导致涡旋扩展产生较小的涡旋。目前，能量也同时传输。换句话说，已经证明，所谓的能量级联现象是在壁湍流中产生对数层中小涡流的机制。此外，进行了具有较高雷诺数的平行板之间湍流中惯性颗粒的新数值模拟，并进行了基于层次涡流层的分析，以阐明湍流的传输现象。具体而言，通过客观地识别涡旋和条纹结构的层次结构，我们阐明了有序结构在粒子传输中的层次结构的作用。惯性颗粒也是气溶胶和气泡的简单模型，在这项研究中获得的关于湍流运输的知识直接与工程应用有关。