壁乱流準秩序構造の再生機構の解明とそのアクティブ制御に関する研究

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省エネルギーや環境負荷低減の観点から,摩擦抵抗低減,伝熱促進,騒音低減等を目指した,乱流の高効率で自在な制御技術の要請が高まっている.工学上対象となる流れの多くは,壁面に沿う勇断乱流であり,優れた制御を達成するためには,壁面近傍の縦渦構造に適切な作用を施すことが有効であることが,近年の研究で明らかにされている.一方,様々な乱流制御手法の中で,壁面のスパン方向の周期振動が,顕著な抵抗低減効果を達成することが知られている.比較的単純な制御則であるものの,抵抗低減機構には未解明な部分が多く,最適化,実用化に向けて,更に詳細な解析が必要である.本研究では二年間に,チャネル乱流の直接数値計算とエネルギー過渡安定性解析の二つの手法を用いた解析を行った,平成22年度は主に直接数値計算からの縦渦構造の条件付き抽出から,壁近傍でレイノルズ応力を生成する主な原因となっている縦渦運動の変化を詳細に示し,摩擦抵抗低減を引き起こす運動と関連づけて説明をおこなった.平成23年度は平行平板間流れのエネルギー過渡成長におよぼすストークス層効果の検証を行った,従来研究で指摘されている通り,平行平板間流れで最も増幅するエネルギーの過渡成長モードが,直接数値計算で確認される壁近傍の低速ストリークのスケールと一致することを確認した.次にスパン方向の壁振動制御時に見られるストークス層が重畳する場合についての解析を行い,低速ストリークのスケールと一致するモードの過渡成長率が変化することを初めて確認した.これらの結果より,直接数値計算で見られるスパン方向壁振動時の摩擦抵抗低減と,低速ストリークに対応するモードの過渡成長率の低減の間の関係性が示唆された.以上,本研究ではスパン方向の壁振動によって,壁面せん断流の過渡安定性や乱流構造の変化に焦点を当て,乱流制御手法の最適化,実用化にむけて有用な知見を得た.