Control of turbulence by additives: principles in terms of the hierarchy of coherent structures

通过添加剂控制湍流：相干结构层次结构的原理

基本信息

批准号：
20H02068
负责人：
後藤晋
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Osaka University
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

数値シミュレーション研究（Ｓ）に関しては、概ね計画通りに研究を進めることができた。（Ｓ１）剛体球形粒子の添加による周期境界条件下の乱流の変調現象に関して、大規模数値シミュレーションによるパラメタサーベイの結果および、それに基づく理論をまとめた論文を出版した。また、同様の考えを平行平板間乱流へと適用する研究も推し進めた。さらに、球形以外の剛体粒子が乱流変調に与える影響についての研究にも着手した。（Ｓ２）弾性体粒子が渦中心に集積する現象を説明する理論を提案した。（Ｓ３）高分子や界面活性剤の添加による乱流変調現象に関しては、ミクロ描像およびマクロ描像の双方から研究を進めた。まず、前者に関しては、散逸動力学法（粗視化分子動力学）による数値シミュレーションを実行し、最長緩和時間やせん断流に対する配向に関する界面活性剤ミセルと高分子との相違点を明らかにした。一方、マクロ描像からは、構成則を用いた連続体シミュレーションおよび、ブラウン動力学法による数値シミュレーションを進めた。その結果、乱流変調現象の物理機構の理解に近づいている。室内実験研究（Ｅ）に関しては、ようやく軌道に乗り始めた。（Ｅ１）界面活性剤や高分子の添加による乱流変調現象に関する実験研究のプラットフォームとして、直方体容器内で４本の平行な円柱を互い違いの方向に回転する装置を完成させ、界面活性剤や高分子の添加による乱流変調現象を実験的に捉えることが可能となった。（Ｅ２）回流水槽を用いた実験プラットフォームを構築する過程で、自由界面近傍に置かれた物体に作用する力に関する新たな現象を発見した。これは添加物による制御とは直接は関係しないが、流れの制御の観点から興味深い発見であり、現在、さらなる解析を進めている。

关于数值模拟研究（S），我们基本上能够按计划进行研究。 (S1)针对周期性边界条件下由于添加刚性球形颗粒而产生的湍流调制现象，我们发表了一篇论文，总结了基于大规模数值模拟的参数调查结果以及基于该结果的理论。我们还研究了将类似的想法应用于平行板之间的湍流。此外，我们开始研究球形以外的刚性颗粒对湍流调制的影响。 (S2)我们提出了一个理论来解释弹性粒子在涡中心聚集的现象。 (S3)针对聚合物和表面活性剂的添加引起的湍流调制现象，我们从微观和宏观两个角度进行了研究。首先，对于前者，我们使用耗散动力学方法（粗粒分子动力学）进行数值模拟，并阐明了表面活性剂胶束和聚合物之间在最长弛豫时间和相对于剪切流的取向方面的差异。另一方面，从宏观上进行了本构律的连续介质模拟和布朗动力学方法的数值模拟。因此，我们越来越了解湍流调制现象的物理机制。关于实验室实验研究（E），终于开始重回正轨。 (E1) 作为对添加表面活性剂和聚合物引起的湍流调制现象进行实验研究的平台，我们完成了一个在长方体容器内沿交替方向旋转四个平行圆柱体的装置，从而可以通过实验捕获湍流。由分子的添加引起的调制现象。 (E2) 在使用循环水箱构建实验平台的过程中，我们发现了一种与作用在自由界面附近物体上的力有关的新现象。虽然这与使用添加剂的控制没有直接关系，但从流量控制的角度来看，这是一个有趣的发现，目前我们正在进行进一步的分析。