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．

本研究为基础研究，旨在确定低雷诺数壁面剪切流的湍流维持极限（下临界雷诺数）及其独特的亚临界转变现象的工程应用。为了实现过渡现象在社会中的应用，有必要了解称为过渡的非平衡相变现象并减少模拟负荷。该项目的目的是提取不依赖于流程细节的通用特征，并基于它们构建代理模型。 2022年，我们针对基本壁面剪切流进行了世界上最大规模的直接数值分析（DNS）：通道流、带侧壁的通道流（管道流）和同轴双圆柱流。在设置通道边界条件时，我们将嵌入式边界方法引入到现有的DNS程序中。使用该 DNS，我们观察了湍流和层流共存的大规模间歇模式的边界条件依赖性，该模式在低雷诺数下形成为湍流维持机制。特别是，与通道流相比，管道流中的湍流模式（湍流条纹和湍流点）可以在过渡的早期阶段与传统已知的湍流条纹识别，但在临界点附近，侧壁模式变得湍流。已被加强/削弱。此外，还发现与时空间歇性相关的统计数据，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，遵循幂标度定律。显然，这个幂律指标组的值属于所谓的DP普适类，对应于以定向渗流现象（DP）为特征的临界指标组，是非平衡相最基本的模型我成功了。我们预计其他流转换也将具有 DP 通用性。在实现这个DNS时，我们使用了东北大学网络科学中心的大规模科学计算系统作为联合研究项目。另外，我们主要改进了文件I/O来加速DNS，并实现了计算时间的大幅减少。关于 DP 通用类的讨论正在与 Masami Sano 教授（上海交通大学）和 Keiichi Tamai 博士（东京大学）合作进行，我们目前正在与 Yohann Duguet 博士（CNRS）讨论湍流模式的建模。