雲乱流統計理論の応用による混相流における乱流変調の解明

应用云湍流统计理论阐明多相流中的湍流调制

基本信息

批准号：
20H02066
负责人：
齋藤泉
金额：
$ 5.16万
依托单位：
Nagoya Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度はまず、ラグランジュ描像に基づく高シュミット数スカラー乱流シミュレーションの問題に取り組んだ。前年度の小規模計算の結果を土台とし、格子点数1024および2048の3乗の大規模シミュレーションを実施し、テイラー長レイノルズ数で最大約550の乱流を実現した。統計的平衡状態におけるスカラー分散スペクトルを調べたところ、高波数側には-1、低波数側には-5/3の傾きを示し、二つの傾きの境目はコルモゴロフ長で規格化した波数でおよそ0.04であった。-1と-5/3の傾きは、それぞれ乱流理論で予測されるバチェラースペクトル、オブコフ・コアシンスペクトルと整合的である。また二つの傾きの波数領域から評価された無次元定数も、先行研究の結果と整合的であった。更に、スカラー分散の輸送フラックスや３次混合構造関数からも、乱流理論の予測との整合性を確かめることができた。次に、雲乱流環境内における過飽和度揺らぎのラグランジュ的自己相関時間に対する、雲粒の凝縮・蒸発による変調の影響を調査した。まず最も単純な状況として粒子が流体粒子として運動する場合を考え、格子点数128から512の3乗の比較的小規模な格子点数でパラメータスウィープ実験を行い、雲粒の凝縮・蒸発による過飽和度ゆらぎのラグランジュ的自己相関時間の変調について調査した。得られた変調の特徴は雲パラメタリゼーションのための統計モデルの予測と良く一致しており、統計モデルの妥当性を直接数値シミュレーションによって検証することができた。

今年，我们首先解决了基于拉格朗日图的高施密特数标量湍流模拟问题。在前一年小规模计算结果的基础上，我们进行了网格点为1024和2048立方的大规模模拟，实现了泰勒长度雷诺数高达550左右的湍流。当我们研究统计平衡状态下的标量色散谱时，它在高波数侧显示出-1的斜率，在低波数侧显示-5/3的斜率，并且两个斜率之间的边界近似等于归一化的波数柯尔莫哥洛夫长度为 0.04。 -1和-5/3的斜率分别与湍流理论预测的Batchelor谱和Obkov-Coasin谱一致。从两个斜率的波数区域评估的无量纲常数也与先前的研究结果一致。此外，我们能够从标量色散的传输通量和立方混合结构函数证实与湍流理论的预测的一致性。接下来，我们研究了云湍流环境中云粒子凝结和蒸发调制对过饱和波动拉格朗日自相关时间的影响。首先，我们考虑粒子作为流体粒子运动的最简单情况，并使用相对较少的网格点（范围从 128 到 512 的立方）进行参数扫描实验。我们研究了的拉格朗日自相关时间调制。获得的调制特性与云参数化统计模型的预测吻合良好，并且可以通过直接数值模拟验证统计模型的有效性。