水表面の気体輸送過程における乱れの効果に関する研究

湍流对水面气体输运过程的影响研究

基本信息

批准号：
08750635
负责人：
杉原裕司
金额：
$ 0.7万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1996
资助国家：
日本
起止时间：
1996 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08750635/
关键词：
気体輸送乱流水表面応力方程式モデル再曝気表面更新率

项目摘要

水表面近傍の乱れが気体輸送に及ぼす効果を定量的に解明することを目的として基礎的研究を行った。本研究では,乱れの効果のみを抽出するために振動格子乱流場を研究対象としている。乱流気体輸送に関する応力方程式モデルを定式化し,これらの数学モデルと既存の実験データを詳細に検討することによって,水表面近傍の乱れが気体輸送速度k_Lに及ぼす効果について幾つかの知見を得た。振動格子乱流場は,水表面から積分スケール程度の領域でのみ乱れ分布が変形する。この変形特性は,鉛直方向の乱れ強度に対する水表面での境界条件に対称条件を課した解析では再現できない。これは,圧力-歪み速度相関項と境界条件の両者に問題があり,鉛直乱れ強度をゼロに設定した境界条件の計算結果は実験値と良好に一致する。k_Lを正しく算定するためには,濃度境界層を十分な格子点で解像する必要がある。本解析では水表面近傍において積分スケールを200点程度で離散化した。乱流計算から算定されたk_Lは,定量的には実験値よりも大きな値を取ったが,これは解析において界面活性等に関する影響を考慮していないためと推察される。しかし,k_Lが乱流レイノルズ数の-1/2乗に比例するという実験結果の特徴は極めて良好にシミュレートできた。また本研究では,表面更新率を乱れエネルギーとエネルギー散逸率でモデル化し,k_Lの評価式を提案した。水表面での気体輸送機構を解明するためには,水表面近傍の乱流構造を高精度で定量化しなければならない。本研究では,LVDをトラバース装置で昇降させ,水表面近傍の乱流構造やk_Lを高精度で計測するための実験システムを整えた。このシステムにより,モデルと実験値のより詳細な比較検討が可能となった。今後、これらの実験システムを用いて、気体輸送速度の普遍定量化と乱流モデル解析の高精度化について研究をさらに進める予定である。

进行基础研究是为了定量阐明水面附近的干扰对气体传输的影响。在这项研究中，我们研究了仅提取湍流的振动晶格湍流场。通过制定用于湍流气体传输的应力方程模型并详细检查这些数学模型和现有的实验数据，我们已经深入了解了水面附近的湍流对气体传输速率K_L的影响。振动晶格场的湍流分布仅在从水面的整体尺度的区域中变形。在分析中不能再现这种变形特征，在分析中，对称条件在水面上的边界条件上施加了垂直湍流强度。这在压力 - 应变速度相关项和边界条件上都是有问题的，并且边界条件的计算结果与垂直干扰强度设置为零非常匹配实验值。要正确计算K_L，有必要在足够的晶格点上解析浓度边界层。在此分析中，整体尺度在水面附近约200点处被离散。从湍流计算得出的K_L定量计算得出的值比实验值大，但这是因为在分析中未考虑对表面活性等的影响。但是，可以很好地模拟K_L与湍流雷诺数成正比的实验结果的特征。在这项研究中，使用受干扰的能量和能量耗散速率对表面更新率进行建模，并提出了K_L的评估方程。为了阐明水面的气体传输机构，必须高精度对水面附近的湍流结构进行量化。在这项研究中，设计了一个实验系统，以使用遍历装置升高和降低LVD，并以高精度测量水面和K_L附近的湍流结构。该系统允许对模型和实验值进行更详细的比较。将来，我们计划使用这些实验系统来进一步研究气体传输速度的普遍量化并提高湍流模型分析的准确性。