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

非线性多尺度相互作用的湍流动量和传热机制的数值研究

• 批准号: 20K14654
• 负责人: 河田 卓也
• 金额: $ 2.25万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K14654/
• 关键词: 乱流エネルギーカスケード; 非線形多重スケール相互作用; 壁乱流; 乱流熱伝達; 非線形マルチスケール相互作用; エネルギーカスケード; 乱流拡散; 直接数値シミュレーション; レイノルズ応力の乱流拡散; 乱流熱拡散; 乱流; 非線形マルチスケール相互干渉

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。

基于前几年进行的平面COUETTE湍流的大规模数值模拟的分析表明，在高主流波数范围内，由高主流波数范围湍流引起的动能传输和热传输的分析尤其显着差异，这会导致尺度的差异差异，而尺度的传输和热传递造成的动量传递最大。在今年的研究活动中，我们首先进行了详细的分析，重点是湍流能量和热量间传输的尺度运输。 The interscale transport terms appearing in the transport equation of the turbulent energy spectrum were decomposed by Fourier mode to organize the combination of three wavenumbers involved in turbulent energy transport between scales, and found that energy transport between scales was caused by two types of interactions: (i) the interaction of velocity fluctuations at two relatively large wavenumbers and the interaction of velocity gradients at relatively small wavenumbers corresponding to the difference in their波数和（ii）相对较大的波数在对应于波数的总和的速度梯度的相互作用。我们使用平面couette湍流的大规模数值模拟结果研究了主要组合，发现在相对较低的波数区域中，（i）类型（i）类型的尺度相互作用导致能量直接运输从非常小的波数字到相对较大的较大的波数区域，使能量造成的能量造成构成的机制，表明构成能式构成脉动，以使其与脉动进行了相对。还已经揭示了与湍流维持机制的纵向涡流再生过程相对应的能量反向级联反应，这是由于极小分数和相对较大的波数的类型（i）类型（i）的相互作用而产生的。

项目成果

Scale interactions in turbulent plane Couette flows in minimal domains

最小域内湍流平面库埃特流中的尺度相互作用

• DOI: 10.1017/jfm.2020.1063
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of Fluid Mechanics
• 影响因子: 3.7
• 作者: Kawata Takuya;Tsukahara Takahiro
• 通讯作者: Tsukahara Takahiro

Forward and Inverse interscale energy transports in a turbulent plane Couette flow

湍流平面库埃特流中的正向和反向跨尺度能量传输

• 发表时间: 2023
• 作者: SJ Haward;CC Hopkins;AQ Shen;大西正人，寺嶋真伍，山本貴博，藤村幸司，清水裕，山本潔，岩瀬英治，塩見淳一郎;河田卓也
• 通讯作者: 河田卓也

Spectral Analysis on Transport Budgets of Turbulent Heat Fluxes in Plane Couette Turbulence

• DOI: 10.3390/en15145258
• 发表时间: 2022-05
• 期刊: Energies
• 影响因子: 3.2
• 作者: T. Kawata;T. Tsukahara

平面クエット乱流における多重スケール相互作用による乱流エネルギー輸送

平面库埃特湍流中多尺度相互作用的湍流能量传输

• 发表时间: 2022
• 作者: 吉永司，荒井隆行，横山博史，飯田明由;大西正人，山本貴博，藤村幸司，清水裕，山本潔，塩見淳一郎;河田卓也
• 通讯作者: 河田卓也

低Re回転平面クエット流れにおける粘弾性不安定性

低Re旋转平面Couette流中的粘弹性不稳定性

• 发表时间: 2020
• 作者: Masato Ohnishi;Koji Fujimura;Takahiro Yamamoto;Hiroshi Shimizu;Kiyoshi Yamamoto;and Junichiro Shiomi;仁村 友洋，徐 之霊，河田 卓也，塚原 隆裕
• 通讯作者: 仁村 友洋，徐 之霊，河田 卓也，塚原 隆裕