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Study of Instability and Turbulent Transition of Helical Vortices

螺旋涡的不稳定性和湍流转变研究

基本信息

批准号：
21H01242
负责人：
服部裕司
金额：
$ 6.82万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究の目的は、らせん渦が不安定化し乱流遷移する過程と、遷移後の流れの性質を、物理的素過程としての不安定性に基づいて体系的に解明することである。らせん渦を特徴づける複数のパラメータ（太さ・捩り・軸流・本数・レイノルズ数）と擾乱の性質に対する依存性の全貌を明らかにする。令和4年度は、乱流遷移の端緒となる不安定性の全貌を明らかにすることを目的として、長波長不安定性による乱流遷移過程についての研究、さらに短波長不安定性による乱流遷移過程についての研究を行った。実験によれば、長波長不安定性によるらせん渦の大変形が相互誘導型の不安定性を誘発して乱流遷移を引き起こす可能性がある。まず線形化方程式の直接数値シミュレーションにより長波長不安定モードを求め、その構造と成長率が理論による予測に近いことを確認した。次に、得られた長波長不安定モードを微小擾乱として基本流であるらせん渦に加え、非線形方程式の直接数値シミュレーションを行った。その結果、らせん渦の一部が自分自身と切りつなぎを起こすことで、らせんのピッチが倍になる現象を発見した。同時に渦輪が形成され、らせん渦から分離して運動することもわかった。次に短波長不安定性による乱流遷移過程について、前年度得た結果を弱非線形理論により解明する研究を行った。楕円型不安定性の最も基本的なモードの場合に振幅方程式を導き、その係数をモード構造から計算した。これにより、非線形飽和の条件を導くとともに、らせんの渦核が直接乱流遷移するかどうかの判定条件を導き、弱非線形理論の結果と直接数値シミュレーションの結果を比較して、矛盾がないことを示した。以上の結果は、乱流遷移の過程と遷移後の流れの性質を明らかにするために重要なものである。

The purpose of this study is to clarify the process of vortex instability and turbulent migration, the properties of flow after migration, the physical process of instability and the fundamental system. The characteristics of vortex flow and the dependence of disturbance properties are discussed. In 2004, the study of turbulence transport processes in the long wavelength instabilities and the short wavelength instabilities was carried out. The possibility of turbulence migration and induction of mutual induced instability due to large vortices and long wavelength instability The direct numerical value of the linear equation is determined by the long wavelength instability, the structure and the growth rate. The second is to obtain a long wavelength instability. The first is to obtain a small disturbance in the fundamental flow. The second is to obtain a direct numerical value of the nonlinear equation. As a result, a part of the vortex is separated from itself, and the phenomenon of doubling is revealed. At the same time, the turbine is formed, and the vortex is separated. The results of the study on short-wavelength instabilities and turbulent transport processes obtained in previous years are presented in this paper. The most basic case of amplitude instability is the derivation of the amplitude equation and the calculation of the coefficient. The results of weak nonlinear theory are compared with the results of direct numerical simulation. The above results show that the process of turbulence migration and the properties of post-migration flow are important.