Numerical investigation on the mechanisms of turbulent momentum and heat transfers by nonlinear multiscale interaction

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前年度の研究で行った平面クエット乱流の大規模数値シミュレーションに基づいた解析により、乱流による運動エネルギー輸送と熱輸送に関して、高主流方向波数領域におけるスケール間輸送に関して特に顕著な違いが見られ、これが乱流による運動量輸送と熱伝達が最も著しく生じるスケールの違いにつながっていることが明らかになった。本年度の研究活動では、乱流エネルギーと熱のスケール間輸送の間にこのような違いが生じる原因を詳しく調査するため、まずは乱流エネルギーのスケール間輸送に着目した詳しい解析を行った。乱流エネルギースペクトルの輸送方程式中に現れるスケール間輸送項をフーリエモードによって分解し、スケール間の乱流エネルギー輸送に関わる３つの波数の組み合わせを整理した結果、スケール間のエネルギー輸送は、（i）２つの比較的大きな波数における速度変動とそれらの波数の差に相当する比較的小さな波数における速度勾配の相互作用と、（ii）２つの比較的小さな波数における速度変動とそれらの波数の和に相当する比較的大きな波数における速度勾配の相互作用という２種類の相互作用によって生じることが明らかになった。平面クエット乱流の大規模数値シミュレーション結果を用いて支配的な役割を果たしている組み合わせを調査したところ、比較的低い波数領域においては（i）の種類のスケール間相互作用により、ゼロに近い極めて小さな波数からエネルギーの再配分が生じる比較的大きな波数領域へエネルギーが直接輸送されていることが明らかになり、これは壁乱流の自己維持機構におけるストリーク不安定性に対応していることが示唆された。また、同乱流維持機構の縦渦再生成過程に対応するエネルギー逆カスケードも同様に極めて小さい端数と比較的大きい波数のタイプ（i）のスケール間相互作用により生じていることが明らかになった。