乱流混合層の小規模構造に関する研究

湍流混合层小尺度结构研究

基本信息

批准号：
07750183
负责人：
店橋護
金额：
$ 0.58万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1995
资助国家：
日本
起止时间：
1995 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07750183/
关键词：
乱流せん断流直接数値計算

项目摘要

本研究では,乱流混合層の直接数値計算(DNS)を行い,乱流遷移に伴い生じる小規模構造について検討した.複雑な乱流場から小規模構造を抽出するために,速度勾配テンソルの不変量解析を導入し,乱流中の小規模構造を速度勾配テンソルの第二不変量が負の値を示す領域として抽出することが可能であることを明らかにした.低Reynolds数乱流混合層において,これらの小規模渦構造は中心で乱流エネルギーの散逸を伴わない剛体回転の領域,すなわちvortex tubeであり,乱流エネルギーの散逸はこれらのvortex tubeの周囲で非常に大きな値を示すことを明らかにした.さらに,これらのvortex tubeの周方向速度分布はBurgers渦によって良く近似することが可能であり,その直径はTaylor microscaleであることを明らかにした.これらのvortex tubeのReynolds数に対する依存性を明らかにするために,高Reynolds数乱流混合層の直接数値計算を行い,低Reynolsd数の場合と同様な解析を行った.この結果,高Reynolds数乱流混合層においても同様なvortex tubeが存在すること明らかとなり,それらの特性も低Reynolds数混合層の場合と同様にTaylor microscaleの直径を有していることが明らかになった.さらに,本研究では乱流混合層において明らかにされた小規模構造の普遍性を検討するために,一様等方性乱流の直接数値計算を行い,一様等方性乱流中の小規模構造の解明を行った.その結果,一様等方性乱流においても正の第二不変量を持つ数多くのvortex tubeが存在し,乱流混合層の場合と同様にTaylor microscaleの直径を有し,その長さは積分長程度であることを明らかにし,このようなvortex tubeが普遍的な乱流の微細構造であることを示した.

在本研究中，我们对湍流混合层进行了直接数值计算（DNS），并研究了由于湍流转变而出现的小尺度结构。为了从复杂的湍流流场中提取小尺度结构，我们计算了引入不变分析，可以使用速度梯度拉伸技术来分析湍流中的小规模结构。我们发现可以提取溶胶第二不变量呈现负值的区域。在低雷诺数湍流混合层中，这些小尺度涡流结构是由中心湍流能量耗散引起的。无涡旋的刚体旋转区域涡管周围的湍流能量耗散显示出非常大的值。此外，这些涡管的圆周速度分布可以很好地用伯格涡来近似。这些涡的直径被发现是泰勒微尺度的。为了阐明管对雷诺数的依赖性，我们对高雷诺数湍流混合层进行了直接数值计算，并进行了与低雷诺数情况相同的分析，显然存在类似的涡流管。层中，其特性与低雷诺数混合层相似。此外，在本研究中，为了检验湍流混合层中揭示的小尺度结构的普遍性，我们进行了直接数值计算，以阐明均匀各向同性湍流中的小尺度结构。，我们发现即使在均匀各向同性的湍流中，也存在许多具有正第二不变量泰勒的涡管，就像湍流混合层的情况一样。结果表明，涡流管的直径为微米级，长度约为积分长度，表明这种涡流管是一种普遍存在的湍流精细结构。