低レイノルズ数チャネル流れの乱流熱伝達における直接数値シミュレーション

大規模な直接数値シミュレーション(DNS)を用いて,層流-乱流間の遷移域を含む低レイノルズ数での平行平板間流れ(チャネル流れ)の解析を実施した.特に,熱流動特性に有意な影響を与える大規模な間欠性(パフ)の構造解析を行った.また,パフ発生の実証を得るために,チャネル水路を構築し,可視化実験を行い,パフの発生条件(レイノルズ数等)をDNSと比較検討し,チャネル流中のパフが,DNSと実験で同程度のスケールと形状を有して発生することを確認した.乱流を維持し得る臨界レイノルズ数は,バルクレイノルズ数で約1500,パフが現れるバルクレイノルズ数域は1500〜2800であった.乱れが間欠的となるレイノルズ数域を知り得たことで,信頼性の高い熱交換器の設計,冷却材の必要流量の推定などの向上が期待できる.また,臨界レイノルズ数の決定は,流体力学の安定性問題において,重要な指針を与えるものである.また,チャネル乱流において異なる速度境界条件(クエット流れ)の実験を行い,回転(コリオリ効果)の影響下にあるときの安定性問題に取り組んだ.レイノルズ数と回転パラメータの変化により,乱流に遷移(不安定化)や逆遷移(安定化)が起こり,特徴的なセル構造の発生が観察できた.本研究ではその流れの状態と構造の分類を行った.回転系のチャネル流における流動特性が,コリオリ効果により大きく変化することを見出し,同流れ場におけるDNSも実施して,ダイナミクスの理解を進めた.得られた知見は,回転系の流れ場,例えば地球大気の流れや,タービン内などの回転流の理解に寄与する.これらの知見について広く国内外に公知し,専門的な意見を交換するため,本研究結果を国際会議や学術雑誌に投稿,もしくは執筆中である.

大規模な直接数値シミュレーション(DNS)を用いて,層流-乱流間の遷移域を含む低レイノルズ数での平行平板間流れ(チャネル流れ)の解析を実施した.特に,熱流動特性に有意な影響を与える大規模な間欠性(パフ)の構造解析を行った.また,パフ発生の実証を得るために,チャネル水路を構築し,可視化実験を行い,パフの発生条件(レイノルズ数等)をDNSと比較検討し,チャネル流中のパフが,DNSと実験で同程度のスケールと形状を有して発生することを確認した.乱流を維持し得る臨界レイノルズ数は,バルクレイノルズ数で約1500,パフが現れるバルクレイノルズ数域は1500〜2800であった.乱れが間欠的となるレイノルズ数域を知り得たことで,信頼性の高い熱交換器の設計,冷却材の必要流量の推定などの向上が期待できる.また,臨界レイノルズ数の決定は,流体力学の安定性問題において,重要な指針を与えるものである.また,チャネル乱流において異なる速度境界条件(クエット流れ)の実験を行い,回転(コリオリ効果)の影響下にあるときの安定性問題に取り組んだ.レイノルズ数と回転パラメータの変化により,乱流に遷移(不安定化)や逆遷移(安定化)が起こり,特徴的なセル構造の発生が観察できた.本研究ではその流れの状態と構造の分類を行った.回転系のチャネル流における流動特性が,コリオリ効果により大きく変化することを見出し,同流れ場におけるDNSも実施して,ダイナミクスの理解を進めた.得られた知見は,回転系の流れ場,例えば地球大気の流れや,タービン内などの回転流の理解に寄与する.これらの知見について広く国内外に公知し,専門的な意見を交換するため,本研究結果を国際会議や学術雑誌に投稿,もしくは執筆中である.