渦生成・発達・消滅過程の定量的解析と高効率壁乱流制御への応用

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壁に沿う乱流場の核心的構造である「渦」の生成・発達・消滅過程を含むライフサイクルを，新たに導出した渦構造の輸送方程式を用いて定量的に解明し，さらに，従来勘案できなかった渦の時間発展に着目し，摩擦抵抗の高効率な低減制御手法を確立することを目的として，以下の２項目を実施した．①壁に沿う乱流場における渦のレイノルズ数依存性を評価するために，３つのレイノルズ数（摩擦レイノルズ数が110，300，650）の乱流場を直接数値計算を用いて再現した．新規に導出した渦構造の輸送方程式各項の流体力学的特性を統計的に評価した．従来のレイノルズ応力の輸送方程式の場合と同様に，各項の分布はレイノルズ数に依らず同様の傾向を示すが，レイノルズ数が増加するにつれて緩やかに変化した．②従来から大きな抵抗低減効果を有することが報告されていた「壁面からある距離における（渦の）壁垂直方向の速度成分をセンシングし，その逆位相の吹出し・吸込み速度を壁面上の制御入力として与える制御」に，渦の輸送方程式の実質微分項を制御の入力に追加して，抵抗低減効果に与える影響を評価した．その結果，些少ではあるがより高い抵抗低減効果を得たことから，渦の生成・消滅過程を導入した制御アルゴリズムの有効性が示された．具体的には，渦の消滅課程により大きな吹出し・吸込み速度を壁面上で与え，渦の消滅を早める制御において，抵抗低減効果が増加した．他方，渦の生成過程でより強い制御入力を与えて渦の生成を抑える制御アルゴリズムでは，抵抗低減効果が減少した．