気液乱流場のDNSデータベースの構築とそれに基づく機構論的熱物質輸送モデルの開発

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本年度は,風波乱流場における乱流熱輸送解析及びその力学モデルに関する考察と擬スペクトル法を用いた高プラントル自由表面における熱輸送機構を対象とした研究を実施した.1.気液乱流場(風波乱流場)におけるDNSデータベースを用い,気液界面近傍における2流体的な乱流構造の解析及びその力学過程を解析するとともに,この組織乱流構造による気液界面を通しての熱輸送機構を明らかにした.以下に得られた主な知見を挙げる.・気液界面近傍の乱流構造に関して,1)液界面を通しての乱流輸送は,界面波頂部のやや風下側において,界面波と気相側のせん断乱流構造による主流方向への直接的な相互作用により行われ,水相側の主流方向乱れ強度はこの位置で最大値をとる.2)そして,界面波の頂部付近では,界面波形の影響により,主流方向成分は抑制され,スパン方向乱れ強度に再配分される.このためスパン方向乱れ強度は,主流方向乱れ強度の最大値点よりもより水面近傍で最大値をとる.3)一方,水相側の鉛直方向乱れ強度は,水面の影響により,乱れの抑制効果が見られ,その変動は乱流によるものではなく,界面波によるものである.従って,本計算条件における風波乱流場における鉛直方向への乱流輸送は比較的不活性である.4)そして,このせん断乱流場と界面波との相互作用には実験室実験で観察された組織乱流構造とよく一致する.・気液界面を通しての熱輸送特性に関して,5)液界面においては,温度乱れが存在するものの,速度場と同様に乱流によるものではなく,界面波に起因するものである.したがってプラントル数の違いもあり,気液界面における熱的境界条件は一定温度に近い状態となっている.6)速度場同様,気液界面を通しての熱輸送は,気相乱流と界面波の相互作用による主流方向への輸送が主因である.7)そして,この気相乱流と界面波の相互作用の影響により,見かけ上の温度境界層の発達を妨げ,固定壁上の流れ等と比較して,温度勾配が緩やかになる.また,2.高プラントル自由表面乱流場における熱輸送機構に対し,擬スペクトル法を用いた計算コードの作成及び大規模計算にも適用可能なMPIによる並列化を実行し,その性能評価を行うとともに,高プラントル乱流場における高波数温度変動の効果と浮力の効果に関する解析を行った.