乱流場の予測可能性

湍流场的可预测性

• 批准号: 14654073
• 负责人: 金田 行雄
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-14654073/
• 关键词: 予測可能性; 直接数値計算; データ同化; 一様等方性乱流; 同化する自由度数; 非線形相互作用; 誤差の抑制; 2次元乱流; ポアズイユ乱流; 渦の非線形相互作用

巨大自由度が強く非線形相互作用する系である乱流においては、初期条件、境界条件、外力などの制御できない小さな誤差が時間とともに増大するため、長時間発展の予測は困難である、と考えられてきた。ところが、近年の低レイノルズ数乱流の数値実験において、大スケールの正確な情報が時々刻々与えれれば、小スケールの誤差がむしろ減少し、予測可能な時間が増えることが示唆された。そこで、本研究では、この数値実験を推し進め、前年(平成14年)度は、大規模直接数値シミュレーション(DNS)により、慣性小領域を持つ高レイノルズ数3次元乱流場の大スケールのデータ同化の実験を行い、小スケールの誤差を抑制するために必要なデータ同化量のレイノルズ数に依存しない定量的評価を得た。本年(平成15年)度は、前年度の数値実験の解析により、データ同化を行う最小スケールと誤差の減衰率との間の関係が、エネルギー散逸率と動粘性係数で決まる特徴的空間スケールと時間スケールによる規格化で、レイノルズ数に依存しなくなることを見出した。このことは、誤差の抑制機構がエネルギー散逸スケールの量で決まっていることを意味している。また、地球規模の流体運動は、鉛直方向のスケールが水平方向のスケールに比べて十分に小さいため、2次元流体の運動で近似される。本研究では、本年度2次元乱流においてもデータ同化の実験を行った。その結果、3次元乱流とは異なり、2次元乱流においては、(エンストロフィーの)散逸スケールではなくもっと大きいスケールのデータ同化だけで誤差が抑制されることが明らかになった。本結果は、地球規模流体運動の長時間予測においての、大スケールデータ同化の有効性を示唆するものである。

Large degrees of freedom, strong non-linear interaction, turbulence, initial conditions, boundary conditions, external forces, small control errors, time increases, and long-term development are difficult to predict. In recent years, the number of turbulence in the low number of years has been reduced, and the error in the high number of years has been reduced. In this study, the numerical value of the data is pushed forward, and the previous year (Heisei 14), the large-scale direct numerical value (DNS), the inertia small domain, and the high degree of integration of the three-dimensional chaotic flow of the data are evaluated quantitatively. This year (Heisei 15), the previous year's numerical value analysis, assimilation, minimum error, attenuation rate, the relationship between the production of dispersion rate, dynamic viscosity coefficient, the determination of characteristics of the space, time, normalization, number dependence, etc. The error suppression mechanism is used to determine the amount of noise. The motion of the fluid in the vertical direction is smaller than that in the horizontal direction, and the motion of the fluid in the second dimension is similar. This study is based on the 2D turbulence of this year. The result is that the 3D turbulence is different, the 2D turbulence is different, and the dispersion is different. The error of assimilation is suppressed. The results are useful for predicting the long-term motion of earth-scale fluids.

项目成果

K.Hayashi, T.Ishihara, Y.Kaneda: "Predictability of 3D Isotropic Turbulence -Effect of Data Assimilation -"Proc. of int. workshop on 'Statistical Theories and Computational Approaches to Turbulence'. 239-247 (2002)

K.Hayashi、T.Ishihara、Y.Kaneda：“3D 各向同性湍流的可预测性 - 数据同化的影响 -”Proc。

M.Yokokawa, K.Itakura, A.Uno, T.Ishihara, Y.Kaneda: "16.4TFlops Direct Numerical Simulation of Turbulence by a Fourier Spectral Method on the Earth Simulator"Proc. of the IEEE/ACM SC2002 Conference, Baltimore. (2002)

M.Yokokawa、K.Itakura、A.Uno、T.Ishihara、Y.Kaneda：“在地球模拟器上通过傅里叶谱方法对湍流进行 16.4TFlops 直接数值模拟”Proc。

Y.Tsuji, T.Ishihara: "Similarity scaling of pressure fluctuation in turbulence"Phys.Rev.E. 68. 02630968-1-02630968-5 (2003)

Y.Tsuji、T.Ishihara：“湍流中压力波动的相似性缩放”Phys.Rev.E。

T.Ishihara, Y.Kaneda, M.Yokokawa, K.Itakura, A.Uno: "Spectra of energy dissipation, enstrophy and pressure by high-resolution direct numerical simulations of turbulence in a periodic box"J.Phys.Soc.Jpn.. 72(5). L983-L986 (2003)

T.Ishihara、Y.Kaneda、M.Yokokawa、K.Itakura、A.Uno：“周期盒中湍流的高分辨率直接数值模拟的能量耗散、熵和压力谱”J.Phys.Soc.Jpn

K.Yoshida, T.Ishihara, D.Fujita, T.Yamahira, Y.Kaneda: "LES Modelings based on the Lagrangian Renormalized Approximation"Proc. of int. workshop on 'Statistical Theories and Computational Approaches to Turbulence'. 203-218 (2002)

K.Yoshida、T.Ishihara、D.Fujita、T.Yamahira、Y.Kaneda：“基于拉格朗日重正化近似的 LES 建模”Proc。