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，我们结合谱法和有限差分法创建了通道流和混合层流的三维直接数值分析。我们创建了一个代码来执行模拟（DNS），在第二阶段，我们使用该代码计算高雷诺数和低雷诺数下的通道流量和混合层流，并生成 DNS 数据。、混合层流分别达到384x257x384和512x180x192。第三步，对这些DNS数据进行过滤，使整个尺度大于网格。大涡分为尺度（GS）和小涡（亚网格尺度，SGS）生成模拟（LES）数据。在第四阶段，我们使用该数据来分析 GS 和 SGS 之间的能量传递。传递方向平均为从 GS 到 SGS 的正向级联，但这被忽略了。从 SGS 到 GS 的级联发生具有无法实现的强度，并且在 SGS 生成项中的剪切分量中向前方向占主导地位，而范数我们表明，正向和反向在 al 分量中几乎相同地出现，这是因为剪切分量包括平均剪切，并且这种趋势在高雷诺数下变得更加明显，因此，逆级联发生的频率也在降低。高雷诺数。因此，提取空间局部有序结构需要使用法向剪切，其中不包括平均剪切。关注成分的方法是合适的，在本研究中，我们分析了湍流场中能量传递机制与有序结构之间的相关性，重点关注逆级联的生成机制。利用条件集成平均（VISA）方法提取逆级联，并对提取到的同一区域对应的过度分布进行分析。在层流中，沿辫状区域中的肋状涡流产生较大的SGS能量，其轴在下游方向，并且这些涡流在任何流场中都具有椭圆形横截面，并且可以在正向或反向产生。表明级联发生在四个象限，并且呈四极状结构分布。第五步，从能够近似SGS能量的生成结构的角度来看，我们对雷诺应力的各种SGS模型进行了验证。结果是，各向同性涡粘模型根本无法表达四极结构，各向异性涡粘模型表现出改进，但尺度相似性表明基于定律，特别是 Filtered-Bardina 模型，具有最高的近似精度。此外，这些 SGS 模型的精度为通过跟踪涡结构的时间演化进行了动态验证，表明尺度相似模型在该验证中也具有较高的准确性。这些结果表明，GS涡度控制方程中的拉伸项为取决于近似的精度，特别是各向同性涡粘模型中，仅表达了涡量的扩散，而没有精确地近似涡旋的伸长。