乱流秩序構造による乱流混合の定量的理解

使用湍流有序结构定量理解湍流混合

• 批准号: 14750128
• 负责人: 後藤 晋
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: National Institute for Fusion Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14750128/
• 关键词: 乱流; 乱流混合; 秩序構造; 渦; 流体線; 流体面; 流体力学

乱流(強く乱れた流れ)は、分子運動と比べて非常に強力な混合能力を有する。このことは直感的には明らかかも知れないが、乱流が如何にして強い混合を産み出しているかの詳細の大部分は未知のままである。乱流混合はさまざまな流れにおいて本質的な役割を果たすので、本研究ではその(最終的には制御まで視野に入れた定量的な)理解を目指す。ところで、乱流の直接数値計算技法や実験技術の発達によって、乱流中には秩序だった渦構造が普遍的に存在することが知られるようになった。そこで、これらの秩序渦構造という概念が乱流混合の理解の足掛かりになることを期待して研究を進めている。研究手法は直接数値計算に基づく数値解析および理論解析である。空間の3方向ともに周期境界条件を課した非圧縮流体の乱流とそれによって移流される流体線や面(物質線や面)の直接数値計算を実行した。流体線や面の変形や伸張を理解することにより乱流混合の理解を試みる。なぜならば、流体面は流体の2つの部分の境界面であるので、その変形や伸張は乱流混合の一面を特徴づけると考えられるからである。さて、上の直接数値計算結果の詳細な解析により、今年度は以下を明らかにした。(1)秩序渦構造は管状であり、その半径方向は乱流の最小長さおよび時間(コルモゴロフ長さ・時間)で特徴づけられる。一方、長さ方向は半径方向と比べてずっと長い。(2)これらの管状秩序渦構造は互いに反平行に揃う傾向がある。(3)反平行渦対はその断面上で2つの双曲型の淀み点をもち、その付近で常に流体線や面の強い伸張が起こっている。(4)その結果、流体線の全長や流体面の全面積は指数関数的に増大する。流体面の指数関数的な伸張は乱流の強い混合能力を反映していると考えられるので、以上の結果により、これまで全く未知であった乱流による強い混合の起源の一端を垣間見ることができたと考えられる。

与分子运动相比，湍流（强烈干扰的流动）具有非常强大的混合能力。这可能是直观的，但是有关湍流如何产生强混合物的大多数细节仍然未知。由于湍流混合在各种趋势中起着至关重要的作用，因此该研究旨在理解（鉴于控制的定量性）。顺便说一句，由于开发了直接数值计算技术和湍流实验技术，因此众所周知，有序的涡流结构在湍流期间是通用的。因此，我们正在进行研究，希望这些漩涡结构的这些概念将成为理解湍流混合的立足点。研究方法是基于数值计算直接的数值分析和理论分析。在空间中的两个方向上，都执行了周期性边界条件的非压制流体的湍流，并进行了直接的边界条件，并进行了直接的流体线和面部（材料线和面部）数量。尝试通过了解流体线和表面的变形和拉伸来理解湍流混合物。这是因为流体表面是流体的两个部分之间的边界，因此，将变形和延伸视为表征湍流混合物的一个方面。顺便说一句，对上述直接价值计算结果的详细分析揭示了今年的下一年。 （1）有序结构是管状的，其半径的特征是湍流的最大长度和时间（Cormogorov长度，时间）。另一方面，长度方向比半径方向长得多。 （2）这些管状有序结构倾向于在抗颤音中排列。 （3）抗固定处女在横截面上有两个二人组形状的摊位，并且附近总是有一条流体线和强大的延伸。 （4）结果，流体线的总长度和流体表面的整体面积增加了指数函数。人们认为，流体的指数延伸反映了湍流的强大混合能力，因此，由于上述结果，这可能是由于完全未知的嘎嘎声而瞥见了强大的混合起源。

项目成果

Susumu Goto, Shigeo Kida: "Stretching Rate of Material Surfaces in Isotropic Turbulence"Proceedings of the Ninth European Turbulence Conference. 125 (2002)

Susumu Goto、Shigeo Kida：“各向同性湍流中材料表面的拉伸率”第九届欧洲湍流会议论文集。

Susumu Goto, Shigeo Kida: "Mixing Enhancement by Anti-parallel Pairs of Elementary Vortices"Proceedings of International Symposium on "Dynamics and Statistics of Coherent Structures in Turbulence : Roles of Elementary Vortices". 103 (2002)

Susumu Goto，Shigeo Kida：“通过基本涡反平行对的混合增强”“湍流中相干结构的动力学和统计：基本涡的作用”国际研讨会论文集。

Susumu Goto, Shigeo Kida: "Multiplicative Process of Material Line Stretching by Turbulence"Journal of Turbulence. 3. 017 (2002)

Susumu Goto，Shigeo Kida：“湍流物质线拉伸的乘法过程”湍流杂志。

Shigeo Kida, Susumu Goto: "Line Statistics : Stretching Rate of Passive Lines in Turbulence"Physics of Fluids. 14. 352 (2002)

Shigeo Kida、Susumu Goto：“线统计：湍流中被动线的拉伸率”流体物理学。