LESによる高レイノルズ数壁乱流の大規模乱流構造の解析と温度成層の影響

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本研究は大きく次の三つの課題に分けられる。(1)中立成層状態の平板チャネル乱流の大規模乱流構造と、壁面極近傍の乱流微細渦構造との関係の解明。(2)中立成層状態の様々な壁乱流における大規模構造の普遍性と圧力勾配や境界形状の影響の解明。(3)平板チャネル乱流の大規模構造に対する温度成層性の影響の解明。この内、(1)(3)についてはそれぞれ一昨年、昨年度実施した。本年度は研究最終年度として(2)の課題について、今まで行ってきた平板チャネル流に加えて円管内乱流のLES解析を行い、その大規模構造の差異について検討を行った。離散化手法には最近開発された、円筒座標系完全保存型高精度差分法を適用した。研究はまず第一ステップとして、1.円管内乱流LESにおける流れ場の、格子解像度、差分離散精度、SGSモデルに対する依存性の検討を行った。結果、特に離散精度に対する依存性が大きく、二次精度ではSGSモデルの影響と差分誤差がほぼ同程度に解に作用し、SGSモデルに期待した効果が得られないことが判った。従って、円管内LESでは四次精度差分を適用することとした。得られた成果は、北京で行われた第6回計算力学世界会議(WCCM)において発表した。次に2.管長が直径の約12倍に匹敵する大規模円管内乱流LESを行い(Reτ=1180)、流れ場を可視化すると共に、得られた統計量、特に主流方向速度スペクトルについて、既に得られている平板チャネル流の解析結果と比較することで、境界形状がもたらす影響について調べた。結果、壁面極近傍のバッファ域で両者の差はほとんど見られないが、対数則域において現れる大規模構造は、円管流の場合、対数則域から外層にかけて、周方向にお互い相互干渉を起こし、その主流方向サイズがチャネル流と比較して小さくなることが判った。得られた成果は速報として、米国物理学会流体力学部門講演会(シアトル)にて発表を行った。