乱流エネルギー生成機構と秩序構造の相関の研究

湍流能量产生机制与有序结构相关性研究

基本信息

批准号：
08650189
负责人：
堀内潔
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
1996
资助国家：
日本
起止时间：
1996 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

第一段階において、スペクトル法と差分法を併用して、チャネル流、および、混合層流の3次元Direct Numerical Simulation(DNS)を行うコードを作成した.第二段階では、このコードを用いて、高ならびに低レイノルズ数におけるチャネル流・混合層流の計算を行い、DNSデータを生成した.用いた格子点数は、チャネル流、混合層流において、各々、最大384x257x384および512x180x192であった.第三段階として、これらのDNSデータにフィルター操作を施し、全スケールを格子以上(Grid scale,GS)とそれ以下(Sub-grid scale,SGS)に分離したLarge Eddy Simulation(LES)データを生成した.第四段階では、このデータを用いたGS-SGS間のエネルギー伝達の解析を行い、伝達方向は、平均としてはGSからSGSへの順カスケードであるが、無視できない強度のSGSからGSへの逆カスケードが起きること、SGS生成項中のShear成分では順方向が支配的であるのに対し、Normal成分では順方向と逆方向がほぼ等分に起きることを示した.これは、Shear成分には平均のShearが含まれるためであり、この傾向は高レイノルズ数においてより顕著になる.したがって、逆カスケードが起きる頻度も、高レイノルズ数において減少する.このため、空間局所的な秩序構造の抽出には、平均Shearが含まれないNormal成分に着目する方法が適切であり、本研究では、エネルギー伝達機構と乱流場中の秩序構造との相関を、逆カスケードの発生機構を中心に解析した.まず、大きな逆カスケードが発生する領域を条件付アンサンブル平均(VISA)法により抽出し、同領域に対応して抽出した過度の分布を解析した.この結果、チャネル流では壁面に垂直な渦に、また、混合層流では下流方向に軸をもつBraid領域のRib渦に沿って、大きなSGSエネルギーの生成が起きること、また、これらの渦は何れの流れ場においても楕円形状の断面を有し、順・逆カスケードはその4象現で起き、4重極的構造をもって分布していることを示した.第五段階として、こうしたSGSエネルギーの生成構造の近似能力の観点から、SGS Reynolds応力に対する各種SGSモデルの検証を行った.その結果、等方型渦粘性係数モデルは4重極構造を全く表現できず、非等方型渦粘性係数モデルでは改善が見られるが、スケール相似則に基くモデル、特に、Filtered-Bardinaモデルが最も近似精度が高いことを示した.更に、これらのSGSモデルの精度を、渦構造の時間発展の追跡から動的に検証し、この検証においても、スケール相似則モデルの精度が高いことを示した.これらの結果は、GS渦度の支配方程式中のStretching項の近似精度に依存していること、特に、等方型渦粘性係数モデルにおいては渦度の拡散のみが表現され、渦の伸長が正確に近似されないことを示した.

在第一阶段，创建了一个代码，以使用光谱和差分方法进行通道流和混合层流的三维直接数值模拟（DNS）。在第二阶段，该代码用于计算高和低雷诺数的通道流量和混合层流流，并生成DNS数据。用于通道流和混合层流的晶格点为384x257x384和512x180x192。在第三阶段，将这些DNS数据过滤，并将整个量表分为网格量表，GS和子网格量表SGS。生成仿真（LES）数据。 In the fourth stage, we analyzed the energy transfer between GS-SGS using this data, and showed that the transfer direction is the forward cascade from GS to SGS as the average, but an inverse cascade from SGS to GS with an inverse cascade that cannot be neglected, and that the forward and reverse direction occur roughly equally in the Shear component in the SGS generation term, whereas the forward and reverse direction occur almost equally in the Normal 成分。这是因为剪切成分包含平均剪切，并且这种趋势在高雷诺数上更为明显。因此，在较高的雷诺数下，反级联反向的频率也会下降。因此，提取空间局部有序结构不包括平均剪切。一种合适的方法是专注于组件。在这项研究中，我们分析了湍流场中能量传递机理与有序结构之间的相关性，重点是反向级联产生的机理。首先，我们提取了使用条件集合均值（Visa）方法发生大型反向级联反向的区域，并分析了提取的与同一区域相对应的过度分布。结果，我们表明，沿着辫子区域的肋骨涡旋发生在通道流中，该通道流在通道流动的下游方向上有一个轴。此外，这些涡旋在任何流场中都有一个椭圆形横截面，并且向前和反向级联反向出现在四个刻度的特征中，并以四极杆结构分布。作为第五阶段，从SGS能量产生结构的近似能力的角度来看，我们可以看到我们已经验证了Reynolds应力的各种SGS模型。结果，各向同性的涡流粘度系数模型不能代表任何四极结构，并且各向异性涡流粘度系数模型显示出改进，但是基于规模相似定律的模型，尤其是滤波器模型，具有最高的近似准确性。此外，这些SGS模型的准确性通过跟踪涡旋结构的时间演变而动态验证，并且在此验证中，表明规模相似性定律模型的准确性非常准确。这些结果取决于GS涡度的管理方程中拉伸项的近似准确性，尤其是在各向同性涡流粘度系数模型中，仅表达了涡度的扩散，并且涡度的伸长率不准确地近似。