κ-ε乱流モデルの欠陥と改良モデルの提案

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乱流現象を解明するためのアプローチの1つとして, レイノルズ方程式に様々な仮定と近似を用い, 方程式を閉じさせる手法がある. 最近ではκ-εモデルが乱流現象をある程度シュミレートすることのできるモデルとして注目を集めている. しかしながら実験結果とκ-εモデルによる数値解とは十分な一致が見られない場合が多い. 乱流現象を代表する特性量として, 乱れエネルギーκとエネルギー散逸率εを採用しクローズさせるのは妥当であると考えられるにもかかわらず, 実測値との完全な一致が見られないのはκ-ε方程式を構成する項の普遍定数が十分正確に決定されていないことが原因の1つであると考えられる. 本研究はこれら普遍定数の再評価・決定を目的とし, そのためにシンプルな乱流場での詳細な乱れの測定を行なった.まず, 乱れの乱流拡散とエネルギー散逸の卓越した振動格子乱流・粗面振動乱流の実験を行ない, LDV・FLVを使って2方向乱れの同時測定を行なった. ついでグリセリンを加えて動粘性係数νを変化させた実験を行ない, 乱れやεの拡散項とκやεの散逸項を評価し, 定数を決定した. また, 平均流による輸送項と散逸項がバランスした一様格子乱流での測定を行ない, 定数を決定した. 得られた普遍定数値は従来より与えられている値とやや異っており, この新しい定数を用いたκ-εモデルにより精度良い乱流場の解析値が大いに期待される. 唯, ε方程式の生成項の定数C_<ε1>だけは今回の実験では決定出来なかったので, 逆に数値実験を行ないフィッティングさせることにより決定される. 得られた普遍定数値は以下のようである. C_κ=0.23, C_ε=0.138, C_<ε2>=2.0