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．

在本研究中，我们通过实验和数值计算来研究高施密特数标量（在本研究中，我们将液相中的物质浓度视为特定标量）在湍流/非湍流附近的耗散机制和化学反应现象。 -湍流界面。基于结果，我们开发了一种简单且通用的概率密度函数方法（PDF 方法），可以处理包括湍流/非湍流界面在内的复杂湍流流场。目的是开发该方法的标量分子混合物模型。实验将采用申请人自主研发的全球分辨率最高的光纤式浓度测量探头。此外，在数值计算中，我们的目标是利用拉格朗日粒子法和直接数值模拟方法来提高标量分子混合模型的精度。由于上述浓度测量探头是点测量，因此需要平均流量来测量湍流/非湍流界面附近的浓度分布。因此，今年，我们首先构建了一个实验装置，用于产生具有周围流（主流）的轴对称湍流射流场。具体来说，我们在水箱内安装了一个管道，并创建了一个可以同时流动均匀流和喷射流的装置。通过使用PIV测量射流出口下游不同位置的速度场，我们能够证实在构建的实验水槽中产生了自相似湍流射流场。此外，通过将高施密特数（约3000）的荧光染料混合到喷射流中并使用上述浓度测量探针测量染料浓度，我们证实浓度场也是自相似的。此外，在生成的射流中，我们在经常检测到湍流和非湍流的位置处测量了湍流/非湍流界面处的瞬时浓度。目前正在对获取的数据进行分析。除了上述实验之外，我们还对包含不同施密特数标量的轴对称湍流射流场进行了直接数值模拟。结果表明，湍流的衰减影响标量浓度涨落功率谱。