Model construction for compressible multiphase flow and elucidation of particle effects based on numerical and experimental studies on flow around a sphere

基于球体周围流动的数值和实验研究，构建可压缩多相流模型并阐明颗粒效应

• 批准号: 18J11205
• 负责人: 永田 貴之
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J11205/
• 关键词: 圧縮性低Reynolds数; 球周り流れ; 数値流体力学; 実験流体力学; 弾道飛行実験; 圧縮性流れ; 低Reynolds数流れ; 直接数値解析; 圧縮性混相流; 衝撃波管; 弾道飛行試験

去年度と同様に圧縮性Navier-Stokes方程式の直接数値解析と弾道飛行試験及び球-衝撃波干渉試験により球周りの圧縮性低Reynolds数流れの特性を調べた．直接数値解析による研究では球周りの一様剪断流の計算を行い，球に働く揚力や抵抗係数など基礎的なパラメタと流体物理の解明を行った．流れの速度勾配による揚力は本研究で対象としたRe=100-300の非圧縮性流れでは高速側から低速側へ働く負の揚力が発生し，Reynolds数の低下に伴い揚力係数の絶対値が小さくなることが知られているが，圧縮性流れでは非圧縮性流れと比較して大きな負の揚力が発生し，Reynolds数の低下に伴い絶対値が増加すること示した．また，圧縮性流れでの負の速度勾配による揚力は非圧縮性流れと全く異なるメカニズムで発生することを明らかにした．弾道飛行試験では去年度までの弾道飛行試験と数値計算の結果から再循環領域長さに変曲点があると思われたReynolds数1000程度の超音速流れの可視化を目指し，シュリーレン光学系の感度と撮影倍率の増強を行った．しかし，雰囲気の密度ムラの問題などから去年度よりも低Reynolds数の条件では流体現象の議論ができる可視化画像を取得できなかった．球-衝撃波干渉実験では去年度構築した実験系で単体球での可視化・抵抗係数計測を本格的に行った．また，複数球周り流れの可視化も行い，粒子クラスタにおける流体力学的相互作用を検討した．抵抗係数に関しては過去に行われた弾道飛行試験で得られた抵抗係数や抵抗モデルによる予測値よりも高い値を取ることを再度確認した．複数球周り流れの可視化ではクラスタ球と垂直衝撃波の干渉の様子を高速撮影し，流体力学的相互作用によりクラスタ球が崩壊する様子を捉えた．これにより，圧縮性低Reynolds数流れにおいて粒子同士が接近すると斥力が働く可能性を示唆した．

与去年类似，我们通过可压缩纳维-斯托克斯方程的直接数值分析、弹道飞行试验和球体冲击波干涉试验，研究了可压缩低雷诺数绕球体流动的特性。在直接数值分析的研究中，我们计算了球体周围的均匀剪切流，并阐明了作用在球体上的升力和阻力系数等基本参数以及流体物理。在本研究的目标Re=100-300的不可压缩流动中，由于流动的速度梯度而产生负升力，该升力从高速侧作用到低速侧，并且作为雷诺数量减少，升力系数的绝对值减小，尽管已知升力减小，但与不可压缩流相比，可压缩流中会产生较大的负升力，并且绝对值随着雷诺数而增大。数量减少。研究还表明，可压缩流中由于负速度梯度而产生的升力是通过与不可压缩流中完全不同的机制产生的。在亚轨道飞行试验中，我们的目标是可视化雷诺数约为1000的超音速流，根据亚轨道飞行试验的结果和数值计算，该流被认为在再循环区的长度上存在拐点。去年，纹影光学系统的灵敏度和成像放大倍数得到了提高。然而，由于大气密度不均匀等问题，我们无法获得可视化图像来讨论雷诺数低于去年的条件下的流体现象。在球体冲击波干涉实验中，我们利用去年搭建的实验系统对单个球体进行了全尺寸可视化和阻力系数测量。我们还可视化了多个球体周围的流动，并研究了粒子簇中的流体动力学相互作用。关于阻力系数，我们再次确认，它的取值高于以往弹道飞行试验中获得的阻力系数以及阻力模型预测的值。为了可视化多个球体周围的流动，我们拍摄了簇球体和垂直冲击波之间相互作用的高速图像，并捕获了由于流体动力相互作用而导致的簇球体的崩溃。这表明当颗粒在可压缩的低雷诺数流中相互接近时，可能会产生排斥力。

项目成果

Reynolds数300-1000の遷音速微小粒子周りの流れ場と抵抗係数に対するMach数・Reynolds数効果の考察

考虑马赫数和雷诺数对雷诺数300-1000跨音速微粒周围流场和阻力系数的影响

• 发表时间: 2019
• 作者: Takayuki Nagata;Taku Nonomura;Shun Takahashi;Yusuke Mizuno;Kota Fukuda;永田貴之，野々村拓，高橋俊，福田紘大
• 通讯作者: 永田貴之，野々村拓，高橋俊，福田紘大

Direct numerical simulation of flow past a transversely rotating sphere up to a Reynolds number of 300 in compressible flow

可压缩流中雷诺数高达 300 的横向旋转球体流动的直接数值模拟

• DOI: 10.1017/jfm.2018.756
• 发表时间: 2018
• 期刊: Journal of Fluid Mechanics
• 影响因子: 3.7
• 作者: Nagata;T.;Nonomura;T.;Takahashi;S.;Mizuno;Y.;and Fukuda;K.
• 通讯作者: K.

亜音速から超音速における一様剪断流中の球周り流れに対する圧縮性効果の調査 (Re<=300)

研究从亚音速到超音速（Re<=300）的均匀剪切流中压缩性对环球流的影响

• 发表时间: 2019
• 作者: Nagata;T.;Daspit;J. T.;Nonomura;T.;and Loth;E.;永田貴之，野々村拓，高橋俊，福田紘大;永田貴之，野々村拓
• 通讯作者: 永田貴之，野々村拓

バリスティックレンジによるReynolds数10^3-10^4オーダーの超音速球周り流れのシュリーレン可視化

使用弹道范围对雷诺数为 10^3-10^4 量级的超音速球体周围的流动进行 Schlieren 可视化

• 发表时间: 2018
• 作者: Nagata;T.;Noguchi;A.;Nonomura;T.;Ogawa;T.;Ohtani;K.;and Asai;K.;永田貴之，野々村拓，大谷清伸，浅井圭介;永田貴之，野口暁人，小川俊広，野々村拓，大谷清伸，浅井圭介
• 通讯作者: 永田貴之，野口暁人，小川俊広，野々村拓，大谷清伸，浅井圭介

直接数値解析データベースを用いた粒子Reynolds数50-1000の圧縮性流れにおける微小粒子の空力係数および後流渦の解析

利用直接数值分析数据库分析雷诺数50-1000可压缩流中微粒的气动系数和尾流涡流

• 发表时间: 2018
• 作者: 大西佑哉;松村武;谷田博司;喜多要介;世良正文;Ryota Akiyama;永田貴之，野々村拓，吉田真優，高橋俊，福田紘大
• 通讯作者: 永田貴之，野々村拓，吉田真優，高橋俊，福田紘大