New perspectives of universality and dynamics of homogeneous turbulence at high Reynolds number

高雷诺数均匀湍流的普遍性和动力学的新视角

• 批准号: 20K03763
• 负责人: 芳松 克則
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 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-20K03763/
• 关键词: 流体物理学; 乱流; 応用数学; 計算物理学; 大規模計算; 計算機物理学; 流体

流れの非線形性が粘性効果に比べ十分強い乱流（高レイノルズ数乱流）では，エネルギーの大部分を保有する大きなスケールより十分小さなスケールにおいて普遍的構造があると考えられている。高レイノルズ数乱流における小スケールの普遍的構造について，計算物理学的手法および理論解析を用いて研究を行う。規範的な乱流である周期境界条件下の3次元非圧縮性乱流を対象とする。直接数値計算(DNS)には，高精度高解像度の場が得られる，エリアスエラーを除去したフーリエスペクトル法および4次精度ルンゲクッタ法を用いる。本研究の目的は，DNSおよび理論解析により，3次元非圧縮一様乱流における (A) 非等方外力の乱流の小スケールへの影響に関する普遍的性質，(B) 強い渦構造の乱流統計やエネルギー輸送への影響，(C) 乱流の動力学，非ガウス性の起源を解明することである。速度相関スペクトルにおいて，線形応答理論とe-Z-H分解の対応を調べた。また，非等方外力として一様磁場下のローレンツ力を課した，ヘリシティをもつ低磁気レイノルズ数非圧縮一様乱流の長時間DNSを実行した。さらに，平均スカラー勾配下の一様なパッシブスカラー乱流場への影響について，DNSにより調べた。シュミット数は１とした。平均スカラー勾配による，速度濃度3次相関関数に対するinertial convective rangeにおける影響に関するべき則を次元解析により求めた。DNSデータの長時間時間平均により得られた結果と理論予測とがおおむね一致した。

在湍流（高雷诺数湍流）中，与粘性效应相比，流动的非线性足够强大，人们相信，在大部分能量的大规模上，有一个足够小的尺度上的通用结构。高雷诺数中的小尺度通用结构的研究是使用计算物理学方法和理论分析进行的。它适用于周期性边界条件下的3D不可压缩湍流，这是规范性湍流。直接数值计算（DNS）使用傅立叶光谱方法，该方法消除了别名误差和四阶精确rungekutta方法，该方法提供了高精度，高分辨率的字段。这项研究的目的是阐明（a）（a）在三维不可压缩的不可压缩均匀湍流中，各向异性外力对小尺度的影响，（b）强涡流结构对湍流统计和能量运输的影响，（C）（C）湍流和非高质性的动态。在速度相关光谱中，研究了线性响应理论与E-Z-H分解之间的对应关系。此外，进行了低磁性雷诺数的长期DNS，其螺旋性未压缩均匀的湍流，其中将洛伦兹力施加在均匀的磁场下作为各向异性外力。此外，DNS研究了对平均标量梯度下均匀的被动标量湍流场的影响。 Schmidt的数量设置为1。关于惯性对流范围内速度浓度立方相关函数的影响的功率定律通过维度分析确定。长期平均DNS数据和理论预测获得的结果通常是一致的。