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壁乱流における大規模構造の統計法則と動力学に果たす役割

研究代表者・辻 義之（名古屋大学）

1 研究集会の開催目的

壁面に沿って発達する流れ（乱流境界層）には，様々な長さスケールを有する渦構造（組織的構造）が存 在することが古くから知られ，境界層中の乱れエネルギーの生成や散逸に重要な役割をはたしている．近 年，直接数値計算（DNS）の結果から，スパン方向へ時空間的に揺らぎながら，流れ方向へ20δ（δは境界 層厚さ）程度の大きさをもつ構造が対数領域から粘性低層に存在することが，豪州の研究グループにより 報告されている．このようなスパン方向への運動を含み，流れ方向へ大きなスケールを持つ構造は，従来 の組織構造の概念を超えるものでSuper Structure（SSと略記する）と名付けられた．SSは乱流境界層中の 平均速度プロファイルのみならず，運動量やエネルギーの輸送にも大きな影響を与えることが予想される．

SSと乱流統計量，その動力学は明らかになっておらず，広い分野の研究者らの活発な議論をおこないたい．

SSは壁との相互作用から壁面でのせん断応力生成への関与も指摘されている．その過程を明らかにするこ とから，壁面でのせん断応力の低減方法について考察する．壁乱流は，大気海洋などの広範な分野にみら れ，抵抗低減など省エネに関する応用研究へも発展が期待される．応用力学研究所における異分野研究の 相互の利点を生かした研究を実施することは意義あることと考えられる．

2 プログラム

２月２２日（土）

13:00–13:45 乱流遷移領域に見られる大規模間欠構造について

福留功二（立命館大理工），剌刀一匡，大上芳文

13:45–14:30 超音速境界層の遷移初期段階における流入攪乱スペクトルの影響

渡辺大輔（富山大理工）

14:45–15:30 壁面進行波状プレデターミンド制御による乱流摩擦抵抗低減及び再層流化現象

守 裕也（東京農工大），岩本 薫，村田 章

15:30–16:15 乱れのダイナミクスにおける大規模構造の役割

水野吉規（同志社大理工）

16:30–17:15 高レイノルズ数チャンネル乱流場における大規模構造の影響と寄与

山本義暢（山梨大医工総合），辻 義之 ２月２３日（日）

9:00– 9:45 機能性塗料を用いた抵抗低減効果

高木洋平（阪大基礎工），中本真義，山本 功

9:45–10:30 高レイノルズ数実流試験設備と管摩擦係数

古市紀之（産総研），寺尾吉哉

10:45–11:30 乱流のラテラルコンタミネーションの臨界条件について

稲澤 歩（首都大），淺井雅人

11:30–12:15 一様剪断乱流における自己維持過程とバースト現象

関本 敦(マドリード工科大)，Siwei Dong, Javier Jimenez 12:15–12:30 総合討論

壁乱流における大規模構造の統計法則と動力学に果たす役割

研究代表者・辻 義之（名古屋大学）

1 研究集会の開催目的

壁面に沿って発達する流れ（乱流境界層）には，様々な長さスケールを有する渦構造（組織的構造）が存 在することが古くから知られ，境界層中の乱れエネルギーの生成や散逸に重要な役割をはたしている．近 年，直接数値計算（DNS）の結果から，スパン方向へ時空間的に揺らぎながら，流れ方向へ20δ（δは境界 層厚さ）程度の大きさをもつ構造が対数領域から粘性低層に存在することが，豪州の研究グループにより 報告されている．このようなスパン方向への運動を含み，流れ方向へ大きなスケールを持つ構造は，従来 の組織構造の概念を超えるものでSuper Structure（SSと略記する）と名付けられた．SSは乱流境界層中の 平均速度プロファイルのみならず，運動量やエネルギーの輸送にも大きな影響を与えることが予想される．

SSと乱流統計量，その動力学は明らかになっておらず，広い分野の研究者らの活発な議論をおこないたい．

SSは壁との相互作用から壁面でのせん断応力生成への関与も指摘されている．その過程を明らかにするこ とから，壁面でのせん断応力の低減方法について考察する．壁乱流は，大気海洋などの広範な分野にみら れ，抵抗低減など省エネに関する応用研究へも発展が期待される．応用力学研究所における異分野研究の 相互の利点を生かした研究を実施することは意義あることと考えられる．

2 プログラム

２月２２日（土）

13:00–13:45 乱流遷移領域に見られる大規模間欠構造について

福留功二（立命館大理工），剌刀一匡，大上芳文

13:45–14:30 超音速境界層の遷移初期段階における流入攪乱スペクトルの影響

渡辺大輔（富山大理工）

14:45–15:30 壁面進行波状プレデターミンド制御による乱流摩擦抵抗低減及び再層流化現象

守 裕也（東京農工大），岩本 薫，村田 章

15:30–16:15 乱れのダイナミクスにおける大規模構造の役割

水野吉規（同志社大理工）

16:30–17:15 高レイノルズ数チャンネル乱流場における大規模構造の影響と寄与

山本義暢（山梨大医工総合），辻 義之 ２月２３日（日）

9:00– 9:45 機能性塗料を用いた抵抗低減効果

高木洋平（阪大基礎工），中本真義，山本 功

9:45–10:30 高レイノルズ数実流試験設備と管摩擦係数

古市紀之（産総研），寺尾吉哉

10:45–11:30 乱流のラテラルコンタミネーションの臨界条件について

稲澤 歩（首都大），淺井雅人

11:30–12:15 一様剪断乱流における自己維持過程とバースト現象

関本 敦(マドリード工科大)，Siwei Dong, Javier Jimenez 12:15–12:30 総合討論

3 _{講演内容の概要}

乱流遷移領域に見られる大規模間欠構造について 福留功二，剌刀一匡，大上芳文

乱流遷移域に見られる大規模間欠構造についてその 構造とダイナミクスを議論する．特に，レイノルズ 数効果と大規模間欠構造の角度の影響を述べる．ま た，実験における結果も報告する．

超音速境界層の遷移初期段階における流入攪乱スペ クトルの影響

渡辺大輔

M2.5の超音速境界層において，主流乱れの影響を非 定常空間発展DNSの実行により調べた．上流で与え る攪乱の振幅およびエネルギースペクトルの分布が ストリーク構造形成に及ぼす影響についての研究結 果を紹介する．

壁面進行波状プレデターミンド制御による乱流摩擦 抵抗低減及び再層流化現象

守 裕也，岩本 薫，村田 章

乱流摩擦抵抗は層流に比べ著しく増大することが知 られており，これを低減する手法の開発は工学的に は輸送コストの削減などに大きな貢献ができると期 待されている．本研究では抵抗低減制御の一つであ る壁面進行波状制御について注目する．この制御は センサを必要としないプレデターミンド制御手法の 一つであり，大きな摩擦抵抗低減効果を有する．近 年では摩擦抵抗低減のみならず乱流を層流化させる ことも報告されており，本講演では制御効果及びそ の流れ場の詳細について述べる．

乱れのダイナミクスにおける大規模構造の役割 水野吉規

壁乱流において流れ方向に長大な乱れの構造が現れ ることは非常によく知られている. これら大規模構 造の時間・空間スケールは,乱れの活発なスケールか らかけ離れており, レイノルズ応力への寄与はほと んどない. しかしながら, これらの大規模構造は,レ イノルズ応力を担う乱れを誘起するせん断場を与え る背景場の役割を持っており,乱れのダイナミクスに おける役割は必ずしも無視できるものではないと考 えられる. 本研究では,同時に実行される２つのチャ ネル乱流の数値計算に対して, 一方の一部の情報を

他方に定期的にコピーするデータ同化を行うことで, 大規模構造の動的な役割を検証する試みを行った.

高レイノルズ数チャンネル乱流場における大規模構 造の影響と寄与

山本義暢，辻 義之

高レイノルズ数チャンネル乱流場のDNS結果に基づ き，大規模構造の影響を調べた．これまで報告されて いるレイノルズ数域を上回る条件下における，PMS 及び2点間相関係数とその可視化結果を示す．また，

DNSデータベースを用いてフィルタを施し，4象限 解析における大規模構造の役割を検討するとともに，

LESにおける再現性，スマゴリン係数のレイノルズ 数効果について言及する．

機能性塗料を用いた抵抗低減効果 高木洋平，中本真義，山本 功

従来防汚性を重視していた船底塗料に新たな機能を 付加し，粘性摩擦抵抗を減らす省エネルギー技術が 注目されている．しかし，その抵抗低減メカニズム については未解明な部分が多く，最適な材料及び塗 装技術は求められていない．本講演では機能性塗料 による摩擦抵抗低減効果を解明するために行った壁 乱流の直接数値計算結果を中心に議論を行う．

高レイノルズ数実流試験設備と管摩擦係数 古市紀之，寺尾吉哉

産業技術総合研究所における高レイノルズ数実流試 験設備を用い，10の7乗を超えるレイノルズ数域に おいて，高精度な管摩擦係数の実測試験を実施した．

設備を紹介するとともに，その実験結果を発表する．

乱流のラテラルコンタミネーションの臨界条件につ いて

稲澤 歩，淺井雅人

平板境界層における乱流くさびの拡がり（ラテラル コンタミネーション）の開始の条件について風洞実 験により調べた結果を発表する．

一様剪断乱流における自己維持過程とバースト現象 関本 敦，Siwei Dong, Javier Jimenez

一様剪断乱流のシミュレーションを長時間行うと，発 達した乱流場は計算領域の拘束を受けているものの，

壁乱流と同様に準周期的なバースト現象が観測でき，

その統計量は壁乱流の対数領域のものとよく一致す

る．この乱流は大スケール運動が計算領域による拘 束を受けるという意味でミニマル乱流である．本研 究では，ニュートン法を用いて求めた不安定周期解 を詳しく調べ，一様剪断乱流の自己維持課程やバー スト現象との関連性について議論する．

4 _{開催日程，場所}

開催日程 2014年2月22日（土）– 23日（日）

開催場所 九州大学応用力学研究所西棟６階多目的研究交流室（W601号室）

講演数 9件 参加者数 18人

ドキュメント内 研究成果報告書 (ページ 64-94)