攪拌槽内の流体の乱流運動の直接数値シミュレーションと実験による検証

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バッフルあり及びバッフルなしの低レイノルズ数攪拌槽(攪拌槽半径及び翼端速度基準レイノルズ数=4500)内の流体運動を3次元Navier-Stokes式と連続の式に基づいて、その慣性項には4次の中央差分法または5次の風上差分法を、その他の空間微分項には2次の中央差分法を、また時間微分項には2次のルンゲ・クッタ法を用い直接数値計算を行った。また、ほぼ完全に同一条件の実験を行い、数値計算結果の検証を行った。その結果、実験値をほぼ正確に表現する、攪拌槽の性能の最も基礎となる瞬時瞬時の流れ模様はもちろんのこと様々な流れ特性値を明らかにすることが出来た。また、本研究は攪拌槽の初期の始動状態から定常な攪拌に達した後の乱流の複雑変動流を含む流れ場を長時間にわたって計算することに成功している。以上の事柄から以下のような研究成果が得られた。1.バッフルあり、なしの低レイノルズ数値攪拌槽内の乱流を含む流れ(初期始動状態から定常な攪拌状態を含む)を正確にシミュレーションすることが出来た。2.1の結果を用いて攪拌槽内の各方向平均速度分布、各方向変動強度分布、レイノルズ応力分布エネルギースペクトル等を正確に求めることに成功し、これによって攪拌槽の正確な性能予測を可能にした。3.攪拌槽内の大規模渦の発生及びそれらの成長、分裂、分散のメカニズムを明らかにした。それによって微小渦の生成、大小渦の相互干渉等を明らかにすることが出来、流れの乱流遷移のメカニズム解明への有力なデータを提供することが出来た。