画像処理と流体力学の融合による衝撃波検知と高精度実用乱流計算

图像处理与流体动力学相结合的冲击波检测和高精度实用湍流计算

基本信息

批准号：
21KK0258
负责人：
北村圭一
金额：
$ 5.16万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022 至 2024
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21KK0258/
关键词：
数値流体力学乱流衝撃波

项目摘要

衝撃波は圧縮性流体における物理量の不連続面である．基課題では画像処理（情報工学分野）におけるエッジ検出法『Canny法』を衝撃波に応用する事で，衝撃波を自動で簡単かつ正確に検知している．そしてこれを組み込んだ高精度流体計算法の構築に取り組んでいる．ただしその適用範囲は現状，乱れの無い「層流」状態に限られている．本国際共同研究では，これをより現実的な「乱流」状態に発展させる．実用乱流計算の世界的実績を有する英国ケンブリッジ大学Paul G. Tucker教授と共同研究を実施し，衝撃波と乱流を共に安定かつ精度良く捕捉する方法を提案する．衝撃波と乱流は，その数値的な扱い方が真逆となる．前者は計算手法中の「数値散逸」を上げて安定に捉える必要がある事に対し，乱流は数値散逸を下げないと精度良く捉えられない．よって衝撃波をCEDRICで正確に検知して計算を安定化し，それ以外の位置における「乱流」は数値散逸を抑えて精度良く捉える事が本国際共同研究の目的である．乱流は層流と異なり，多くの場合にモデル化を要する．TuckerらはハイブリッドRANS/LESモデルの範疇で，古典的な数値解法に対し数値散逸を制御する事で実用乱流の高精度計算を行っている．ただし対象は衝撃波の発生しない亜音速流れであり，ここで使用されたRoeの方法は実のところ衝撃波で不安定になる事が知られている．この衝撃波における異常解発生の問題を克服したのが申請者らの提案したSLAU2である．これらをうまく組み合わせれば，衝撃波および乱流を安定かつ精度良く計算できると考えた．2022年度は基課題を仕上げつつ，渡航の準備を進めている．

冲击波是可压缩流体中物理量的不连续性。其基本问题是将图像处理（信息工程领域）中的边缘检测方法“Canny方法”应用于冲击波，从而轻松且准确地自动检测冲击波。我们还致力于建立一种结合此的高精度流体计算方法。然而，其应用范围目前仅限于未受干扰的“层流”条件。在这次国际联合研究中，我们将把它发展成一个更加现实的“动荡”状态。我们将与在实际湍流计算方面拥有世界一流经验的英国剑桥大学Paul G. Tucker教授进行联合研究，提出一种稳定、准确地捕获冲击波和湍流的方法。冲击波和湍流以相反的方式进行数值处理。前者需要增加计算方法中的“数值耗散”才能稳定捕获，而湍流则需要降低数值耗散才能准确捕获。因此，这项国际联合研究的目的是通过CEDRIC精确探测冲击波以稳定计算，并通过抑制数值耗散来高精度捕捉其他位置的“湍流”。湍流与层流不同，在许多情况下需要建模。 Tucker 等人通过控制混合 RANS/LES 模型中的数值耗散（与经典数值解相比）来对实际湍流进行高精度计算。然而，目标是不会产生冲击波的亚音速流，而这里使用的罗伊方法实际上已知会因冲击波而变得不稳定。申请人提出的SLAU2克服了冲击波中解生成异常的问题。我们相信，如果将这些方法适当地结合起来，我们可以稳定、准确地计算冲击波和湍流。 2022年，我们正在完成基本任务，准备出国旅行。