DNSによる壁乱流再層流化の促進・抑制のための制御方法に関する研究

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流路幅縮小により流速が増加する溝乱流の直接数値シミュレーション(DNS)を実行し,各種流路形状での,高精度乱流データベースを構築した。併せて,一般曲線座標系に適応可能な高次差分スキームによる計算結果の信頼性,複雑な流れ場でのDNSの実用性を確認した。データ解析により,加速を伴う溝乱流の乱れの変化,再層流化,逆遷移過程の発生,促進機構を考察した。特に,乱流統計量に着目して,乱流エネルギーの生成率などの乱れの減少への定量的な寄与を調べた。その結果,以下のことがわかった。レイノルズせん断応力,乱れ強さの各成分および主流方向渦度は,流路幅の縮小率が大きいほど乱れの減少は顕著になる。本計算でも加速パラメータを乱れ強さ減少,再層流化の指標とすること,および実験で示された値が妥当であった。主流方向乱れ強度の変化の様子から,内層,外層に分けることができ,外層では加速に伴って,負の生成の効果が現れる。負の生成効果は,ストリークの引き延ばしに対応しており,その結果,流れの加速は,ストリーク構造には影響せず,特に外層領域でその強度を弱めている。壁面近傍である内層領域では,流路幅の縮小率,流れの加速率に関わらず,両方の項の増減はバランスして,乱れ強さ維持されていると考えられる。流れの加速(順圧力勾配)は,主流方向以外の成分への再配分によるエネルギー供給を制御する効果があり,その結果,主流方向成分の様子に関わらず,主流方向以外の乱れ強さは流路幅全体で減少した。これより,縦渦の変化は,おもに主流方向からの再分配によるところで,2次的なものである。滑り速度を設定した場合,固定壁の場合には,加速区間において,変化することのなかった壁面近傍から乱れ強さの最大値が減少した。乱れ生成と抑制のバランスを崩して,乱れを減少させる効果を作りうることを示した。