壁面上乱流境界層の乱流構造と二次流れ発生メカニズムの解明

壁面湍流边界层湍流结构及二次流产生机理的阐明

• 批准号: 16760126
• 负责人: 長田 孝二
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Nagoya University (2005)Kyoto University (2004)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16760126/
• 关键词: 乱流; 境界層; ブロック効果; 二次流; 線形理論; 三次元直接数値計算; 非等方性乱; フォーシング; 壁面上乱流境界層; 壁面ブロック効果; 二次流れ; 線形解析

本研究は,乱流渦と壁面の直接的な干渉(ブロック効果)による乱流構造の変化を明らかにし,二次流れ発生機構を明らかにすることを目的としている.今年度は,まず,昨年度のRapid Distortion Theory (RDT)に基づく線形理論解析を発展させ,壁面ブロック効果に及ぼすレイノルズ数の影響を明らかにするとともに,波状壁面上で発生する二次流れの理論予測も行った.さらに,昨年度の研究で開発したフォーシング(エネルギー加振)手法を用いて定常的な等方性および軸対称非等方性乱流場を計算空間内に発生させ,その中に壁面を挿入した場合の乱流統計量の変化を三次元直接数値計算(DNS)により計算した.その結果,レイノルズ数が低い場合には擬定常状態において壁面近傍における水平方向および鉛直方向の速度変動強度の減少が顕著になること,粘性の影響が小さい範囲ではスプラット効果がより顕著に起こること,速度変動強度は時間に依存して変化するのに対して,レイノルズ応力分布は時間的にほとんど変化しないことなどが明らかになった.また,本研究で開発したDNSにより得られた結果は,RDTによる初期応答結果および過去の実験結果と非常によく一致した.さらに,昨年度に作成した振動格子乱流水槽内を用いて,壁面近傍の乱流統計量の計測を行った結果,壁面近傍の乱流統計量は,疑定常状態に対するDNS結果とよく一致した.また,格子の振動数が大きく非常に強い乱流を発生させた場合には,非等方性乱流の壁面ブロック効果によって壁面近傍で平均流が発生する様子が観察された.この結果は,非等方性乱流に対する昨年度のRDT結果を裏付けるものである.本課題研究によってRDTに基づく線形理論解析,三次元直接数値計算および室内実験を用いることにより,乱流渦と壁面の直接的な干渉(ブロック効果)による乱流構造の変化および二次流れ発生機構を明らかにすることができ,当初の研究目的は達成された.壁面シアーのある壁面上境界層乱流場に及ぼす壁面ブロック効果,浮力の影響のある境界層乱流場での壁面ブロック効果による乱流構造の変化と二次流れ発生機構の解明などが今後の研究課題として考えられ,将来明らかにしていきたい.

This study aims to clarify the structure of turbulent vortices and the mechanism of secondary flow generation. This year's Rapid Distortion Theory (RDT) is based on the theoretical analysis of the linear shape, the influence of the wall surface and the number of waves, and the theoretical prediction of the secondary flow generated on the corrugated wall. In the past year, the research on turbulence statistics in three-dimensional direct numerical calculation (DNS) was carried out by using the method of constant isotropy and axisymmetric non-isotropy turbulent flow in computational space. As a result, the velocity variation intensity decreases in the horizontal direction and the vertical direction when the velocity variation number is low, and the velocity variation intensity decreases in the horizontal direction and the vertical direction when the velocity variation number is low. The distribution of force in the time domain is different from that in the time domain. The results of this study are very consistent with those of the previous studies. The results of measurement of turbulence statistics near the wall are consistent with the results of DNS measurement for quasi-steady state. The number of lattice vibrations is very large, and strong turbulence occurs in the case where anisotropic turbulence occurs. The result is that the RDT results of the previous year are not uniform. The research of this subject is based on linear theory analysis of RDT, calculation of three-dimensional direct numerical value and application of indoor simulation. Turbulent vortex and wall direct interaction are studied. Turbulent structure transformation and secondary flow generation mechanism are discussed. The effects of buoyancy on turbulent potential flow in boundary layer on wall surface and turbulence structure in boundary layer are discussed.

项目成果

壁面による乱流のブロック効果に及ぼすレイノルズ数の影響(第3報,軸対称非等方性乱流のブロック効果に関する直接数値計算)

雷诺数对壁面湍流阻塞效应的影响（第3部分，轴对称各向异性湍流阻塞效应的直接数值计算）

• 发表时间: 2006
• 期刊: 日本機械学会論文集(B編) (印刷中)
• 作者: 長田孝二;相良文彦;小森悟;J.C.R.Hunt;P.A.Davidson
• 通讯作者: P.A.Davidson

壁面ブロック効果による波状壁面上での二次流れ

由于墙块效应，波浪墙上的二次流动

• 发表时间: 2006
• 期刊: 日本機械学会論文集(B編) (印刷中)
• 作者: 長田孝二;P.A.Davidson;H.Wong
• 通讯作者: H.Wong

壁面による乱流のブロック効果に及ぼすレイノルズ数の影響(第2報, Townsendのモデル渦によるフォーシングを用いた直接数値計算)

雷诺数对壁面湍流阻挡效应的影响（第二次报告，使用汤森模型涡流的强迫进行直接数值计算）

• 发表时间: 2005
• 期刊: 日本機械学会論文集(B編) 71巻709号
• 作者: 長田孝二;相良文彦;小森 悟;J.C.R.Hunt;P.A.Davidson
• 通讯作者: P.A.Davidson

波状壁面上の乱流構造と抗力に及ぼすうねりの影響

波动对湍流结构和波状壁表面阻力的影响

• 发表时间: 2005
• 期刊: 日本機械学会論文集(B編) 71巻706号
• 作者: 今城貴徳;長田孝二;小森 悟
• 通讯作者: 小森 悟

乱流の非等方性と壁面のブロック効果による平板上での平均流の発生

由于湍流各向异性和壁阻挡效应在平板上产生平均流动

• 发表时间: 2004
• 期刊: 日本機械学会論文集(B編) 70・699
• 作者: 長田孝二;Julian C.R.Hunt
• 通讯作者: Julian C.R.Hunt