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

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．

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．