Study on the dissipation mechanism and chemical reaction phenomena of high Schmidt number scalars near the turbulent/non-turbulent interfacial layer

湍流/非湍流界面层附近高施密特数标量的耗散机理及化学反应现象研究

基本信息

批准号：
22K03937
负责人：
酒井康彦
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nagoya Industrial Science Research Institute
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 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究は，乱流／非乱流界面近傍での高シュミット数スカラ量（本研究では具体的なスカラ量として液相中の物質濃度を扱う）の散逸機構と化学反応現象を実験と数値計算により解明し,その結果に基づき，乱流／非乱流界面を含む複雑乱流場に対応できる簡易で汎用性のある確率密度関数法(PDF法:Probability Density Function Method)用のスカラ分子混合モデルを発展させることを目的とする．実験では，申請者らが独自で開発した世界最高分解能の光ファイバ型濃度計測プローブを使用する．また，数値計算ではラグランジュ粒子法や直接数値シミュレーション法によりスカラ分子混合モデルの高精度化を目指している．上記濃度計測プローブは点計測用であるため，乱流／非乱流界面近傍の濃度分布を計測するには，平均流が必要となる．そこで本年度は，まず周囲流（主流）を持つ軸対称乱流噴流場を生成するための実験装置の製作を行った．具体的には，水槽内にダクトを設置し，その中で一様流と噴流を同時に流すことができる装置を製作した．噴流出口から異なる下流位置でＰＩＶによる速度場計測を行うことで，製作した実験水路内には，自己相似的な乱流噴流場が生成されていることが確認できた．また，高シュミット数（3000程度）の蛍光染料を噴流に混ぜ，染料濃度の計測を上記濃度計測プローブで行うことで，濃度場についても自己相似的となっていることを確認した．さらに，生成した噴流において，乱流と非乱流を高頻度で検出する位置において乱流／非乱流界面の瞬時濃度の計測を行った．取得したデータについては現在解析中である．上記実験に加え，異なるシュミット数のスカラを含む軸対称乱流噴流場の直接数値シミュレーションを行った．その結果，スカラ濃度変動パワースペクトルには，乱流の減衰性が影響を及ぼすことが明らかとなった．

This study aims to elucidate the dissipation mechanism and chemical reaction phenomena of high Schmidt number scalar amounts near the turbulent/non-turbulent interface (in this study, the concentration of substances in the liquid phase as a specific scalar amount) through experiments and numerical calculations, and based on the results, the aim is to develop a simple and versatile probability density function method (PDF) that can handle complex turbulent fields including动荡/非扰动界面。该实验使用申请人开发的世界一流的光纤浓度测量探针。此外，在数值计算中，目的是使用拉格朗日粒子方法和直接数值模拟方法提高标量分子混合模型的准确性。由于浓度测量探针是用于点测量的，因此需要平均流量来测量湍流/非扰动界面附近的浓度分布。因此，今年，我们首先制造了一种实验装置，以生成具有环境流（主流）的轴对称湍流射流场。具体而言，在水族馆中安装了管道，并制造了一种可以同时流动流量和喷射流的设备。通过使用PIV在射流插座的不同下游位置测量速度场，可以证实在制造的实验通道中创建了自相似的湍流射流场。此外，通过将荧光染料与高施密特数（约3,000）混合到射流中，使用上述浓度测量探针测量染料浓度，并确认浓度场是自相似的。此外，在生成的JET中经常检测到湍流和非扰动流动的位置，测量了湍流/非扰动界面的瞬时浓度。目前，获得的数据正在分析中。除了上述实验外，我们还对包含具有不同Schmidt数量的标量的轴对称湍流射流场进行了直接的数值模拟。结果，揭示了湍流的衰减对标量浓度波动功率谱有影响。