環状流路内の亜臨界遷移流れの大規模直接数値解析：現象解明から熱交換器応用まで

环形通道中亚临界转变流的大规模直接数值分析：从现象阐明到换热器应用

• 批准号: 14J07477
• 负责人: 石田 貴大
• 金额: $ 1.86万
• 依托单位: Tokyo University of Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J07477/
• 关键词: 直接数値計算; 二重円管内環状流; 亜臨界遷移; 大規模秩序構造; 乱流; 環状流; 大規模乱流構造; 乱流熱伝達; 直接数値解析

スーパーコンピュータを利用して，二重円管内環状流れの大規模直接数値解析を行い，乱流と層流との境界である遷移レイノルズ数域において遷移域特有の秩序構造発生の有無を調査した．特に内円筒半径割る外円筒半径で定義される円筒比依存性の調査を行うことで流動系に依存しない遷移現象の統一的な理解を目的として研究結果を得た．これにより，遷移域で層流と乱流状態が共存する層流乱流パターンが発生することを明らかにし，円筒比に依存してパターンの形状が変化することを明らかにした．円筒比が小さい場合，円管内流れで観察されるパフに類似した流れ方向に局在化した一次元的構造が発生，反対に大きい場合には，平面間流れで生じる乱流の縞状構造と同様の二次元的構造である螺旋乱流が発生することを明らかにした．また，中程度の円筒比では，パフと螺旋乱流の特徴を同時に有する螺旋パフが発生することで極限同士を繋げることを明らかにした．発展的解析として，遷移現象の差異及び変化原因を明らかにするため，新規解析・評価手法の導入を行った．パターン発生時の小規模及び大規模スケールの乱流構造を分類することで，パターン形状の変化は周方向二次流れの有無によって特徴付けられることを明らかにした．また，流動状態の特徴モードを抽出することで，異なるパターンの特徴を明確にし，パターン形状の変化は円筒比のみでなくレイノルズ数にも依存して変化することを示した．これによりレイノルズ数及び円筒比に依存した遷移現象の変化を定量的に捉えることに成功した．実験可能なパラメータ（レイノルズ数・円筒比）を増やすため，円筒直径を小さくした大型実験装置を新設した．また，新規実験装置は縦置きにすることで可視化用フレーク粒子が沈殿する問題の解決を行い，数値解析での結果をより明確にするため，可視化実験を行い，幅広いパラメータ領域でのパターン発生の有無の調査を行った．

The large-scale direct numerical analysis of annular flow in a two-layer tube is carried out by using the numerical method of turbulent flow and laminar flow, and the existence or absence of order structure peculiar to the migration domain is investigated. In particular, the definition of the radius of the inner cylinder and the radius of the outer cylinder were investigated. The results of the investigation were obtained. The laminar flow turbulence state in the migration domain is blue shifted, and the laminar flow turbulence state is generated. In the case of small cylinder ratio, the flow inside the cylinder is observed to be similar to the flow direction, and the one-dimensional structure is generated in the opposite direction. In the case of large cylinder ratio, the planar flow is generated to be turbulent and the triangular structure is generated to be similar to the two-dimensional structure. The characteristics of spiral turbulence are similar to those of ordinary spiral turbulence. Analysis of development, differences in migration phenomena and causes of change, analysis of new regulations, evaluation of methods and introduction of new regulations. Small and large scale turbulence structures at the time of its formation are classified into two categories: the shape of turbulence and the presence or absence of circumferential secondary flow. The characteristics of the flow state are extracted and the characteristics of the flow state are clearly defined. The number and ratio of migration phenomena are quantitatively determined. The diameter of the cylinder is small, and the diameter of the cylinder is small. The new regulation is implemented by setting up a new visualization system to solve the problem of particle sinking. The result of numerical analysis is clearly defined. The visualization system is implemented in the middle of the investigation of the occurrence of particles in the field.

项目成果

粘弾性流体の回転平面クエット流におけるロールセル変調

粘弹性流体旋转平面库埃特流中的滚动单元调制

• 发表时间: 2016
• 作者: Kohei Kunii;Takahiro Ishida;Takahiro Tsukahara;塚原 隆裕，石田 貴大，戸倉 彰太
• 通讯作者: 塚原 隆裕，石田 貴大，戸倉 彰太

LIMSI(France)

LIMSI（法国）

Turbulent annular pipe flow in subcritical transition regime: occurrence of helical turbulent band

亚临界转变状态下的湍流环形管流：螺旋湍流带的出现

• 发表时间: 2015
• 作者: T. Sugimoto;D. Ootsuki;C. Morice;E. Artacho;S. S. Saxena;E. F. Schwier;M. Zheng;Y. Kojima;H. Iwasawa;K. Shimada;M. Arita;H. Namatame;M. Taniguchi;M. Takahashi;N. L. Saini;T. Asano;R. Higashinaka;T. D. Matsuda;Y. Aoki;and T. Mizokawa;N. Shiraishi and T. Sagawa;T. Ishida and T. Tsukahara
• 通讯作者: T. Ishida and T. Tsukahara

Turbulent annular pipe flow in subcritical transition regime: Direct numerical simulation of a large domain

亚临界转变状态下的湍流环形管流：大域的直接数值模拟

• 发表时间: 2015
• 作者: Y. Yokoyama;D. Ootsuki;T. Sugimoto;H. Wadati;J. Okabayashi;Xu Yang;Fei Du;Gang Chen;and T. Mizokawa;T. Ishida and T. Tsukahara;N. Shiraishi;T. Ishida and T. Tsukahara
• 通讯作者: T. Ishida and T. Tsukahara

粗面クエット流において発生する様々な準秩序構造

粗糙表面库埃特流中出现的各种准有序结构

• 发表时间: 2016
• 作者: T. Tsukahara;T. Ishida;塚原 隆裕，石田 貴大，DUGUET Yohann;仁村 友洋，河田 卓也，塚原 隆裕;石田 貴大，Geert Brethouwer，Yohann Duguet，塚原 隆裕
• 通讯作者: 石田 貴大，Geert Brethouwer，Yohann Duguet，塚原 隆裕