Transcript パワーポイント - 海洋物理学研究室

水圏地球物理学ゼミナール 論文紹介 2006.11.1
Direct numerical simulation of
turbulent channel flow
under stable density stratification
Iida, O., N. Kasagi and Y. Nagano
Int. J. Heat and Mass Trans. (2002)
45:1693-1703
1 先行研究
○乱流に関する安定成層の効果
1.乱流を抑制 →再層流化の場合も
2.内部重力波(IGW)の励起 (Tritton 1988, Gossard and Hooke 1975,Hooke and Jones 1986)
IGWは運動量を輸送する
しかし、線形の範囲では、鉛直流速(v)と擾乱水温(θ)の位相差がπ/2
→熱は輸送しない (Stull 1988, Webster 1964)
○成層の下での境界層乱流に関する多くの水槽実験と観測
勾配リチャードソン数Rigによって流れの状態が決定
0.25以下の領域：Kelvin-Helmholz不安定による間欠的乱流 (Tritton 1988, Turner 1973)
0.25以上の領域：IGWが支配的
2つの領域間で相互作用
圧力相関項を通して、IGWが乱流境界層からエネルギーを運び出すと示唆(Stull 1988)
ただし圧力擾乱の測定は困難 → 数値実験の必要性
1 目的
Channel(平行平板間)乱流について一連の直接数値実験(DNS)を行い、
安定密度成層が境界層乱流に与える基本的な効果を調べる
特に、乱流とIGWの相互作用、
再層流化に注目
目次：
2 数値モデル
3.1 乱流熱・運動量輸送
3.2 乱流構造
3.3 乱流運動エネルギーと乱流熱フラックスの収支
2 Computational conditions of DNS
粘着壁、温度T1
y
粘着壁、温度T0
X (cyclic)
z (cyclic)
一定の圧力勾配
支配方程式：
ブシネスク近似の下での通常
の流体力学方程式
実験ケース：
バルクのリチャードソン数：0～0.54
3.1 抵抗係数、Nusselt数
3.1節：乱流熱・運動量輸送に対する安定成層の効果
中立成層実験に対する比
バルクリチャードソン数
解像度は十分
水槽実験とも一致
Rib大 → Cf,Nu低下
3.1 相関係数(uとv,vとθ)
成層強(Rig大) → 相関低下 (乱流運動量・熱輸送低下)
実験(×):ばらつきがあるが傾向は一致
先行研究とよく一致
Rig<0.1でばらつくのは粘性の影響
3.1 平均流速U、温度T分布(対数軸)
( )+:摩擦速度、摩擦温度、粘性係数によ
る無次元化
y+ > 10: 成層強→平均流速大
対数領域小
変化は平均流速と似ている
y+ > 10: 成層強→温度勾配大
channel中央で変化最大
3.1 レイノルズ応力、乱流熱フラックス
壁近傍を除く、全領域で低下
channel中央で大きく減少
→Tの大きな変化
3.1 等温度面(瞬間場)
Rib=0
大きく波うつ
→混合大
Rib=0.35
乱流混合が抑制
3.2 流速ベクトル、圧力(瞬間場)
3.2節：乱流構造に対する安定成層の効果
Rib=0.35
黒：低圧
壁
壁
streamwise vorticeに対応 (Kasagi et al. 1995)
青：低圧
壁
壁
低圧部：水平に広がる
3.2 流速、温度の分散
壁近傍では乱流維持
dU/dz大→u大
u
成層による抑制→v小
v,w
IGW
u,v,w (成層強)
Rib=0.54で再層流化
θ
変化最大
←浮力の
影響大
3.2 擾乱流速のスペクトル
成層：
中央を除いて、低波数帯で低下
→大スケール擾乱の弱化
←v+2を低下させる浮力拡散項vθ
のエネルギーは低波数に集中
中央ではk=1~4の範囲でエネル
ギーが増加
←IGWの発生
3.2 vとθの位相差
vとθの位相差：π/2 → IGWと言える
y+=10,100では位相差～0 →IGWではなく乱流が支配
3.2 勾配リチャードソン数
流れの構造(乱流かIGW)はRigで判断可能
乱流
IGW
3.3 TKE収支
3.3節：TKEと乱流熱フラックスの収支に対する安定成層の効果
浮力の直接の影響
主に生成と散逸でバランス
浮力散逸は小さい
生成項減少
→散逸項とバランス
生成項増大
(dU/dｙ大)
→乱流拡散とバランス
逆では？
Viscous diffusion以外
3.3 TKEz成分の収支
乱流拡散→0
圧力拡散→中央への
エネルギー輸送
：IGWの効果
逆では？
浮力散逸項
→圧力歪み相関項の増大と
バランス
(u→vのエネルギー移転)
Viscous diffusion以外
3.3 乱流熱フラックス収支
支配的な項
Gain / Loss
Pressure Scrambling / 圧力拡散
生成 / Pressure Scrambling
生成 / 浮力散逸
壁近傍と似た分布
→成層が仮想的な壁と
して働く
圧力拡散：
中央から壁側への熱フ
ラックスを輸送
(v2とは逆方向)
Fig.8で示した低圧部を
伴う渦の働きだろう
4 Conclusions
安定成層の平行平板間乱流に関するDNSを行い、基本的な乱流統計量、それら
の収支、乱流構造から、成層の影響を調べた。次のような結果が得られた。
1.抵抗係数・Nusselt数は低下
2.Rig>0.25の中央領域ではIGWが支配的
成層が仮想的な壁のように働く
3.Rig<0.25の領域では乱流が支配的
4.圧力拡散を通じて、TKEは乱流領域からIGW領域へ、乱流熱フラックスは逆方
向へ輸送される
5.低圧部を伴う渦が、この相互作用に寄与しているだろう
6.低波数の乱流が減衰 → 再層流化
計算領域を狭めるのと同じ効果
Table 1, Figure 1
Figure 2
Figure 3
Figure 4,5
Figure 6
Figure 7
Figure 8
Figure 9
Figure 10
Figure 11
Figure 12
Figure 13
Figure 14
Figure 15
Figure 16
Figure 17