壁乱流のアクティブ・フィードバック制御に関する研究

摩擦抵抗低減効果に大きな影響を及ぼす乱流準秩序構造のレイノルズ(Re)数効果を評価するために,世界最大のレイノルズ数(摩擦レイノルズ数Re_τ=2320,バルクレイノルズ数Re_b=103000)までのチャネル乱流直接数値計算(DNS)を行った.その際,チェビシェフ多項式の微分操作に伴う丸め誤差を除去する方法を新たに開発した.また,地球シミュレータにおいて2048個のCPU・約4TBYTEのメモリを用いて超並列化・ベクトル化を行うことにより,高精度スペクトル法を用いた大規模DNSを計算することを可能とし,実行計算速度5.5TFLOPS(ピーク性能比34%)を達成した.可視化,低次統計量を用いて,乱流準秩序構造の定量的解析を行った.その結果,高Re数チャネル乱流では,内層に縦渦構造・ストリーク構造の再生成メカニズムが存在すると共に,外層に新たな乱流大規模構造生成メカニズムが存在することが明らかとり,それぞれアクティブな領域も定量的に示した.また,高レイノルズ数乱流では,壁から離れた領域において,乱れの生成量が散逸量を凌駕する領域が存在し,外層に存在する大規模構造がアクティブであることを示唆する.この点は従来の低レイノルズ数乱流DNSでは確認されない全く新しい事実である.大規模構造は壁近傍の縦渦構造・ストリーク構造にも大きな影響を及ぼし,工学的に重要な壁近傍低次乱流統計量にも影響を及ぼすことが分った.さらに,内外層の間に階層構造が存在することを定量的に示し,高レイノルズ数での乱れスペクトルの増加と乱流準秩序構造の複雑化との関係を明らかにした.

摩擦抵抗低減効果に大きな影響を及ぼす乱流準秩序構造のレイノルズ(Re)数効果を評価するために,世界最大のレイノルズ数(摩擦レイノルズ数Re_τ=2320,バルクレイノルズ数Re_b=103000)までのチャネル乱流直接数値計算(DNS)を行った.その際,チェビシェフ多項式の微分操作に伴う丸め誤差を除去する方法を新たに開発した.また,地球シミュレータにおいて2048個のCPU・約4TBYTEのメモリを用いて超並列化・ベクトル化を行うことにより,高精度スペクトル法を用いた大規模DNSを計算することを可能とし,実行計算速度5.5TFLOPS(ピーク性能比34%)を達成した.可視化,低次統計量を用いて,乱流準秩序構造の定量的解析を行った.その結果,高Re数チャネル乱流では,内層に縦渦構造・ストリーク構造の再生成メカニズムが存在すると共に,外層に新たな乱流大規模構造生成メカニズムが存在することが明らかとり,それぞれアクティブな領域も定量的に示した.また,高レイノルズ数乱流では,壁から離れた領域において,乱れの生成量が散逸量を凌駕する領域が存在し,外層に存在する大規模構造がアクティブであることを示唆する.この点は従来の低レイノルズ数乱流DNSでは確認されない全く新しい事実である.大規模構造は壁近傍の縦渦構造・ストリーク構造にも大きな影響を及ぼし,工学的に重要な壁近傍低次乱流統計量にも影響を及ぼすことが分った.さらに,内外層の間に階層構造が存在することを定量的に示し,高レイノルズ数での乱れスペクトルの増加と乱流準秩序構造の複雑化との関係を明らかにした.