Study on the dissipation mechanism and chemical reaction phenomena of high Schmidt number scalars near the turbulent/non-turbulent interfacial layer

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本研究は，乱流／非乱流界面近傍での高シュミット数スカラ量（本研究では具体的なスカラ量として液相中の物質濃度を扱う）の散逸機構と化学反応現象を実験と数値計算により解明し,その結果に基づき，乱流／非乱流界面を含む複雑乱流場に対応できる簡易で汎用性のある確率密度関数法(PDF法:Probability Density Function Method)用のスカラ分子混合モデルを発展させることを目的とする．実験では，申請者らが独自で開発した世界最高分解能の光ファイバ型濃度計測プローブを使用する．また，数値計算ではラグランジュ粒子法や直接数値シミュレーション法によりスカラ分子混合モデルの高精度化を目指している．上記濃度計測プローブは点計測用であるため，乱流／非乱流界面近傍の濃度分布を計測するには，平均流が必要となる．そこで本年度は，まず周囲流（主流）を持つ軸対称乱流噴流場を生成するための実験装置の製作を行った．具体的には，水槽内にダクトを設置し，その中で一様流と噴流を同時に流すことができる装置を製作した．噴流出口から異なる下流位置でＰＩＶによる速度場計測を行うことで，製作した実験水路内には，自己相似的な乱流噴流場が生成されていることが確認できた．また，高シュミット数（3000程度）の蛍光染料を噴流に混ぜ，染料濃度の計測を上記濃度計測プローブで行うことで，濃度場についても自己相似的となっていることを確認した．さらに，生成した噴流において，乱流と非乱流を高頻度で検出する位置において乱流／非乱流界面の瞬時濃度の計測を行った．取得したデータについては現在解析中である．上記実験に加え，異なるシュミット数のスカラを含む軸対称乱流噴流場の直接数値シミュレーションを行った．その結果，スカラ濃度変動パワースペクトルには，乱流の減衰性が影響を及ぼすことが明らかとなった．