Universality Investigation of Subcritical Turbulent Transition in Wall-bounded Shear Flow and Development of Stochastic Model for Engineering Application

壁面剪切流中亚临界湍流转变的普遍性研究及工程应用随机模型的发展

基本信息

批准号：
22KJ2814
负责人：
神山一貴
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Tokyo University of Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，壁面せん断流における低レイノルズ数での乱流維持限界（下臨界レイノルズ数）の特定とその特異的な亜臨界遷移現象の工学応用に向けた基礎研究である．遷移現象応用の社会実装には，遷移という非平衡相転移現象の理解とシミュレーション負荷の軽量化が必須である．本課題では流れの詳細に依存しない普遍的特徴の抽出，それを基とした代理モデル構築を目的としている．2022年度は，基礎的な壁面せん断流：チャネル流・側壁のあるチャネル流（ダクト流）・同軸二重円筒流を対象に世界最大規模の直接数値解析（DNS）を実施した．流路境界条件の設定においては，既存のDNSプログラムに埋め込み境界法を導入した．本DNSにより，低レイノルズ数での乱流維持機構として形成される乱流と層流が共存した大規模間欠パターンの境界条件依存性を観測した．特に，ダクト流の乱流パターン（乱流縞や乱流斑点）はチャネル流と比較して，遷移初期段階では従来知られる乱流縞と同一視できたが，臨界近傍では側壁が乱流パターンを強化/弱体化した．また，乱流パターンの空間密度と乱流間距離の相関長といった時空間間欠性に関する統計量が冪的スケーリング則に従うことが分かった．この冪則の指数群の値については，非平衡相転移の最も基礎的なモデルである有向浸透現象（DP）で特徴づけられる臨界指数群と一致する，いわゆるDP普遍クラスに属することを明らかにした．他の流れの遷移もDP普遍性があるものと期待している．当該DNSの実施においては，東北大学サイバーサイエンスセンターとの共同研究として，同センタの大規模科学計算システムを利用した．また，DNSの高速化のために主にファイルI/Oを改善し，計算時間の大幅な削減を達成した．DP普遍クラスの議論は佐野雅己教授（上海交通大学）と玉井敬一博士（東京大学）と共同研究体制にあり，乱流パターンのモデル化についてはYohann Duguet博士（CNRS）と議論を進めいている．

这项研究是一项基础研究，旨在确定低雷诺数下壁剪切流的湍流维护极限（较低的临界雷诺数）以及其特定的亚临界过渡现象的工程应用。在过渡现象应用的社会实施中，了解称为过渡和减少模拟负载的非平衡相变现象是必不可少的。该主题旨在提取不依赖流量细节并基于它们建立代理模型的通用功能。在2022财年，世界上最大的直接数值分析（DNS）是在世界上最大的规模上进行的，重点是基本的墙剪切流：通道流动，带有侧壁（管道流）的通道流动和同轴双圆柱流。在设置流道路边界条件时，在现有DNS程序中引入了嵌入式边界方法。使用此DNS，我们观察到大规模间歇性模式的边界条件依赖性，其中湍流和层流流是在低雷诺数下形成的，作为湍流维持机理，并存。特别是，与通道流相比，在过渡的早期阶段，可以用传统的湍流条来识别导管流中的湍流图案（湍流条纹和湍流斑点），但是在关键的附近，侧壁加强/弱化了湍流模式。还发现有关时空间歇性的统计数据，例如湍流模式的空间密度与湍流之间的距离之间的相关长度，遵循理想的缩放定律。该权力定律的指数的值属于所谓的DP通用类别，该类别与以定向渗透现象（DP）为特征的关键指数组相吻合，这是非平衡期过渡的最基本模型。我希望其他流过渡在DP中是通用的。在实施DNS时，该中心的大规模科学计算系统被用作Tohoku大学网络科学中心的联合研究项目。此外，为了加快DNS的速度，我们主要改善了文件I/O，从而大大减少了计算时间。 DP Universal Class是与Sano Masaki教授（上海Jiaoto University）和Tamai Keiichi博士（东京大学）的联合研究组织，与Yohann Duguet博士（CNR）进行了讨论，涉及建模湍流模式。