化学反応を伴う液相乱流に関する研究

伴随化学反应的液相湍流研究

基本信息

批准号：
13J02531
负责人：
渡邉智昭
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J02531/
关键词：
乱流化学反応流体工学混合

项目摘要

本研究は，(1)液相乱流における微小スケールの濃度拡散場および化学反応場の特性の解明と，(2)確率密度関数法に基づく反応性乱流に対する数値計算手法の構築を目的として行われている．以下に，本年度の研究の進捗について述べる．研究目的(1)に関して，液相乱流中の物質拡散では拡散物質の分子拡散係数が小さく，乱流場と拡散場の構造の最小スケールに大きな差が生じる．そこで，自由せん断流れにおける物質拡散の直接数値計算 (DNS) を様々な分子拡散係数に対して行い，物質拡散場の分子拡散係数に対する依存性について調査した．その結果，乱流による流体の取り込みに伴う物質輸送において，乱流・非乱流領域間の界面層領域における乱流特性が重要となることが明らかとなった．また，界面層領域を通過する流体の運動の特性は界面内の位置によって大きく変化し，界面外層領域では粘性による渦拡散が，界面内層領域では小スケールの渦構造が取り込まれる流体の運動を支配することがわかった．また，様々な分子拡散係数に対して噴流拡散場のImplicit Large Eddy Simulation (LES) を行い，実験やDNSとの比較からImplicit LESの有効性を示した．研究目的(2)において，計算粒子による反応場の計算とLESによる流れ場の計算を組み合わせた反応性乱流場の数値計算手法を提案した．この計算手法では，分子拡散の効果を適切にモデル化することが重要となる．そこで，空間的に分布する粒子群の相互作用を基にした分子拡散モデルを提案し，同モデルを用いた計算粒子とLESによる反応性乱流場の数値計算手法を噴流や格子乱流中の反応場へ適用した．計算結果を既存の実験結果などと比較することで，本計算手法により，様々な分子拡散係数に対して反応場の統計的特性を精度よく予測できることを実証した．

本研究的目标是（1）阐明液相湍流中微尺度浓度扩散场和化学反应场的特征，以及（2）构建基于概率密度函数方法的反应湍流数值计算方法。完毕。现将今年的研究进展介绍如下。对于研究目标(1)，在液相湍流中的物质扩散中，扩散物质的分子扩散系数较小，湍流场和扩散场结构的最小尺度存在较大差异。因此，对不同的分子扩散系数进行了自由剪切流中材料扩散的直接数值计算（DNS），并研究了材料扩散场对分子扩散系数的依赖性。结果表明，湍流和非湍流区域之间的界面层区域的湍流特征对于与湍流吸收流体相关的质量传递非常重要。此外，通过界面层区域的流体运动特性根据界面内的位置而变化很大，粘性引起的涡扩散控制着外层区域流体的运动，小尺度涡结构控制着流体的运动。我发现内层区域的流体运动确实如此。此外，对不同的分子扩散系数进行了射流扩散场的隐式大涡模拟（LES），并通过实验和与DNS的比较证明了隐式LES的有效性。为了研究目的（2），我们提出了一种反应湍流场的数值计算方法，该方法结合了使用计算粒子的反应场计算和使用 LES 的流场计算。在这种计算方法中，正确模拟分子扩散的影响非常重要。因此，我们提出了一种基于空间分布粒子群相互作用的分子扩散模型，并将使用计算粒子和LES的反应湍流场数值计算方法应用于射流和晶格湍流中。通过将计算结果与现有实验结果进行比较，我们证明该计算方法可以准确预测各种分子扩散系数下反应场的统计特征。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Turbulent mixing of passive scalar near turbulent and non-turbulent interface in mixing layers

DOI：
10.1063/1.4928199
发表时间：
2015-08
期刊：
Physics of Fluids
影响因子：
4.6
作者：
Tomoaki Watanabe;Y. Sakai;K. Nagata;Yasumasa Ito;T. Hayase
通讯作者：
Tomoaki Watanabe;Y. Sakai;K. Nagata;Yasumasa Ito;T. Hayase

On the dynamics of turbulent/non-turbulence interfaces in stably-stratified fluids

稳定分层流体中湍流/非湍流界面的动力学

DOI：
发表时间：
2015
期刊：
影响因子：
0
作者：
J. J. Riley;T. Watanabe;S. M. de Bruyn Kops;P. J. Diamessis
通讯作者：
P. J. Diamessis

Direct and Large Eddy Simulations of Grid Turbulence

网格湍流的直接大涡模拟

DOI：
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
0
作者：
K. Nagata;Y. Zhou;T. Watanabe;Y. Sakai and Y. Ito
通讯作者：
Y. Sakai and Y. Ito

Conditional Statistics of Reactive Concentrations in a Planar Liquid Jet

平面液体射流中反应浓度的条件统计

DOI：
发表时间：
2013
期刊：
Proc. of the 4th International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows
影响因子：
0
作者：
T. Watanabe;Y. Sakai;K. Nagata;O. Terashima and Y. Ito
通讯作者：
O. Terashima and Y. Ito

Scalar Dissipation Rate in a Planar Liquid Jet with a Chemical Reaction (Experimental Study on the Evaluation of the Conditional Moment Closure Equation)

化学反应平面液体射流中的标量耗散率（条件矩闭合方程评估的实验研究）