温度成層流中での物質拡散予測は精度よく行われているか?-従来の拡散モデルの欠陥の実証と新モデルの開発-

热分层流中物质扩散的预测是否准确？ - 传统扩散模型的缺陷证明和新模型的开发 -

• 批准号: 11750165
• 负责人: 長田 孝二
• 金额: $ 1.54万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1999
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1999 至 2000
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-11750165/
• 关键词: 乱流; 温度成層; 物質移動; 熱移動; 乱流拡散モデル

平成11年度に行った室内実験により、安定成層流中ではアクティブスカラ(熱)とパッシブスカラ(物質)の乱流拡散係数が大きく異なる値を持つこと示された。そこで、まず本年度は、大気中のような気相の温度成層流中でも乱流拡散係数が異なるのかどうかを直接数値計算によって確認した。その結果、気相の温度成層流中でも乱流拡散係数に違いが存在することが確認された。すなわち、従来から勾配拡散型のモデルにおいて仮定されてきた「物質の乱流拡散係数が熱の乱流拡散係数と同じ値をとる」、あるいは、「両方の乱流拡散係数が同じ浮力の効果を受ける、つまり、それらの乱流拡散係数の比が一定値をとる」とする仮定が液相中においても気相中においても完全に誤りであることが実験と直接数値計算の両方から確認された。そこで、液相での室内実験および液相と気相に対する直接数値計算の結果をもとに、新たな乱流拡散係数に基づく数値モデルを提案した。その結果、アクティブスカラとパッシブスカラの乱流拡散係数の浮力による依存性は、浮力振動数を時間で無次元化した無次元時間によりモデル化できることがわかった。本年度の研究では、開発したモデルを実際に組み込んだ拡散予測を行うまでには至らなかったので、具体的にどの程度の拡散予測誤差が生じるかを定量的に示すことはできなかったが、本研究で得られた結果は、従来の乱流拡散係数の比が一定値をとるという勾配拡散モデルを用いてパッシブスカラである物質の拡散予測を行った場合には、大きな拡散予測誤差を生むことを示している。

1999年进行的实验室实验表明，主动标量（热）和被动标量（物质）的湍流扩散系数在稳定分层流中具有显着不同的值。因此，今年，我们首先进行了直接数值计算，以确认即使在大气等气相温度分层流中，湍流扩散系数是否也存在差异。结果证实，即使在气相中的温度分层流中，湍流扩散系数也存在差异。换句话说，“物质的湍流扩散系数与热的湍流扩散系数具有相同的值”，这是传统上在梯度扩散模型中假设的，或者“两个湍流扩散系数具有相同的浮力效应”实验和直接数值计算都证实了“它们的湍流扩散系数之比取恒定值”的假设在液相和气相中都是完全错误的。因此，基于液相室内实验结果以及液相和气相的直接数值计算，我们提出了一种基于湍流扩散系数的新数值模型。结果发现，主动标量和被动标量的湍流扩散系数对浮力的依赖性可以使用无量纲时间来建模，即浮力频率随时间变得无量纲。在今年的研究中，我们还没有达到将开发的模型实际纳入扩散预测的程度，因此我们无法定量地显示会出现多少扩散预测误差。本研究获得的结果表明，在预测被动扩散时。使用传统的梯度扩散模型（其中湍流扩散系数的比率取恒定值）来计算标量物质，会出现较大的扩散预测误差。

项目成果

Y.Wang,K.Nagata and S.Komori: "A Second-Moment Closure Model for Strongly Stably-Stratified Grid Turbulence"AIAA Journal. (受理). (2000)

Y.Wang、K.Nagata 和 S.Komori：“强稳定分层网格湍流的二阶矩闭合模型”AIAA 期刊（已接受）。

K.Nagata and S.Komori: "The difference in Turbulent Diffusion between Active and Passive Scalars in Stable Thermal Stratification"Journal of Fluid Mechanics. 430. 361-380 (2001)

K.Nagata 和 S.Komori：“稳定热分层中主动标量和被动标量之间的湍流扩散差异”流体力学杂志。

道岡武信,長田孝二,井田敦巳,小森悟: "化学反応を伴う液相格子乱流場に対するLarge eddy simulation"日本機械学会論文集(B編). 66-651. 2815-2822 (2000)

Takenobu Michioka、Koji Nagata、Atsumi Ida、Satoru Komori：“伴随化学反应的液相晶格湍流场的大涡模拟”日本机械工程师学会汇刊（编辑 B）2815-2822。 ）

K.Nagata and S.Komori: "The Effects of Unstable-Stratification and Shear on a Rapid Reaction in Grid Turbulence"Journal of Fluid Mechanics. 408. 39-52 (2000)

K.Nagata 和 S.Komori：“不稳定分层和剪切对网格湍流中快速反应的影响”流体力学杂志。

長田孝二,小森 悟: "DNAによる強い安定成層下でのアクティブスカラとパッシブスカラの乱流拡散の違いの評価"日本機械学会論文集(B編). 65巻638号. 3439-3446 (2000)

Koji Nagata、Satoru Komori：“强稳定 DNA 分层下主动标量和被动标量之间的湍流扩散差异的评估”日本机械工程师学会汇刊（ed. B），第 638 卷。3439-3446。 (2000)