渦層構造の動力学特性と不安定性に基づく乱流現象の解明

基于涡层结构的动态特性和不稳定性阐明湍流现象

基本信息

批准号：
22K03903
负责人：
渡邉智昭
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03903/
关键词：
乱流渦層安定密度成層圧縮性流れ

项目摘要

乱流中には強い速度せん断を持つ層状の渦領域（渦層）が存在する。渦層は乱流の動力学特性において重要な役割を果たすことが予想されているものの、渦層の検出が困難であるためその詳細な調査が行われてこなかった。本研究では速度勾配テンソルのせん断成分を基に渦層位置・方向を求める新たな解析手法により渦層に関わる乱流現象を明らかにすることを目的とする。渦層検出には速度勾配テンソルを剛体回転、せん断、伸長ひずみの成分に分解する三成分分解を用いた。せん断成分により定義されるせん断強度により渦層を検出し、渦層位置におけるせん断成分の解析により渦層方向を同定する。渦層方向により定義される局所座標系において渦層のアンサンブル平均を求め、渦層近傍の流れ場を調査した。本手法を一様等方性乱流の直接数値計算データベースに対して適用し、渦層近傍の運動エネルギ輸送や乱流構造を調査した結果、渦層内部のせん断は剛体回転を伴う管状渦によって生じていることが明らかとなった。また、薄い層構造の維持において重要な圧縮歪みも渦層近傍の渦管により生じていることが示された。さらに、異なる二つの乱流間に形成される界面領域と渦層の関連を調査した。本研究では二つのメッシュサイズを持つ格子を並べて配置した乱流格子が生成する乱流場を解析対象とし、時間発展型格子乱流の直接数値計算を実施した。界面領域に渦層が多数存在しており、界面近傍の流れ場に渦層のせん断や歪みが影響を与えていることが示された。また、渦層は乱流エネルギの活発な散逸を引き起こすことが知られている。静的格子および動的格子乱流の風洞実験や安定密度成層下の時間発展型格子乱流の直接数値計算および理論解析を実施し、格子乱流中のエネルギ散逸率のスケーリング則・減衰則を明らかにした。

在湍流中，存在具有强速度剪切的层状涡流区域（涡流层）。尽管涡流层有望在湍流的动态特性中发挥重要作用，但由于涡流层检测的困难，尚未进行详细的研究。本研究的目的是使用一种新的分析方法来阐明与涡流层相关的湍流现象，该方法根据速度梯度张量的剪切分量确定涡流层的位置和方向。为了检测涡流层，我们使用三分量分解，将速度梯度张量分解为刚体旋转、剪切和拉伸应变分量。通过剪切分量定义的剪切强度来检测涡流层，并通过分析涡流层位置处的剪切分量来识别涡流层的方向。在由涡流层方向定义的局部坐标系中获得涡流层的集合均值，并研究涡流层附近的流场。我们将该方法应用到均匀各向同性湍流直接数值计算数据库中，研究了涡层附近的动能传输和湍流结构，结果发现涡层内部的剪切是由管状涡引起的。很明显，这种情况正在发生。研究还表明，对于维持薄层结构非常重要的压缩应变也是由涡流层附近的涡流管产生的。此外，我们研究了两种不同湍流之间形成的界面区域与涡流层之间的关系。在本研究中，我们分析了由两种网格尺寸的网格并排排列的湍流网格产生的湍流场，并对随时间演化的网格湍流进行了直接数值计算。结果表明，界面区域存在大量涡流层，涡流层的剪切和应变影响界面附近的流场。此外，已知涡流层会导致湍流能量的主动耗散。开展了静态和动态网格湍流的风洞实验，对稳定密度分层下随时间演化的网格湍流进行直接数值计算和理论分析，确定了网格湍流能量耗散率的标度规律和衰减规律。