ニュートン・非ニュートン流体回転平面クエット流れの安定性・乱流構造の解明

牛顿和非牛顿流体旋转平面库埃特流的稳定性和湍流结构的阐明

基本信息

批准号：
17J04115
负责人：
河田卓也
金额：
$ 2.83万
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：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度までの研究活動において、スウェーデン王立工科大学（KTH）における回転平面クエット流に関する実験を予定通り終了しているので、今年度は同実験により取得した多量の実験データの整理・解析を行なうとともに、大阪大学サイバーメディアセンターのスーパーコンピュータを用いた大規模計算により、回転の無いニュートン流体乱流における非線形マルチスケール相互作用に関する数値解析を引き続き行った。まず、KTHにおける実験により取得した実験データの解析に関しては、これまでの研究により確立した解析法を用いることで、流れ場に生じる大規模な渦構造と小さな乱流構造の間に生じる相互作用が運動量やエネルギーの輸送に影響を与えるメカニズムを明らかにした。また、粘弾性回転平面クエット流の実験では、前年度取得した可視化実験・ステレオP I V計測の結果を解析したところ、粘弾性には縦渦構造を安定化させ、さらなる不安定性の出現を抑制する事が明らかになった一方、レイノルズ数・回転数・界面活性剤濃度の条件によってはニュートン流体の場合には見られない特殊な不安定性が生じることも明らかになった。また、大規模計算によるニュートン流体壁乱流中のマルチスケール相互作用に関する数値解析では、計算領域をあえて小さくした数値解析を行うことにより、大・小スケール間のエネルギー輸送がどの様な渦構造のダイナミクスにより生じるのかを詳しく調べた。その結果、乱流エネエルギーの準カスケード（大きいスケールから小さいスケールへのエネルギー輸送）と逆カスケードはそれぞれ「自己維持サイクル（self-sustaining cycle）」と呼ばれる乱流の維持機構が伴う「ストリーク不安定性」と「主流方向縦渦の再生成」に対応する事が明らかになった。

作为我们去年研究活动的一部分，我们在瑞典皇家理工学院（KTH）如期完成了旋转平面库埃特流的实验，因此今年我们将整理和分析所获得的大量实验数据从实验开始，我们使用大阪大学网络媒体中心的超级计算机进行大规模计算，继续对非旋转牛顿流体湍流中的非线性多尺度相互作用进行数值分析。首先，对于KTH实验获得的实验数据的分析，利用前期研究建立的分析方法，我们能够分析流场中出现的大尺度涡结构和小湍流结构之间的相互作用。阐明了影响动量和能量传输的机制。此外，在粘弹性旋转平面Couette流实验中，我们分析了前一年获得的可视化实验和立体PIV测量的结果，发现粘弹性需要稳定纵向涡结构并抑制进一步不稳定的出现。另一方面，还发现，根据雷诺数、转速、表面活性剂浓度的条件，会出现牛顿流体中未见的特殊不稳定性。此外，在利用大尺度计算对牛顿流体壁湍流多尺度相互作用进行数值分析时，通过刻意缩小计算面积进行数值分析，可以了解大尺度和小尺度之间的能量传输是如何引起的。我们详细研究了这是否是由动力学引起的。结果，湍流能量的准级联（能量从大尺度到小尺度的传输）和反向级联分别导致“条纹不稳定性”和称为“自维持循环”的湍流维持机制。对应于“主流方向纵向涡流的再生”。