| 内容要旨 | | 1.序論 乱流現象の制御は工学的重要課題のひとつであり,従来より様々な研究が行われている.近年エネルギーあるいは環境問題の重要性が認識される中で,乱流摩擦抵抗低減のための各種デバイス開発に関する研究が盛んである.例えば,流れ方向に微細な溝を有するリブレットは,顕著な抵抗低減効果を有することが知られている.しかし,このような効果がどのような流体力学的な機構によってもたらされるかといった基礎的知見は乏しく,従ってデバイスの最適化,あるいはより効果的なデバイスの開発が遅れている.ところで,最近のりブレット面に沿う乱流場の詳細な実験的検討によれば,リブレットによるスパン方向速度の抑制によって渦運動が抑制される,リブレットの谷の上で一種のスリップ面が形成され,その結果壁乱流に特有な渦構造の再生成が抑えられるという二種の力学機構が示唆されている.そこで,本研究では,これらのリブレットによる乱流摩擦抵抗低減機構(1)を模擬的に検討し,さらにその結果から乱流制御デバイス開発のための一般的な指針を得ることを目的として,2種類の人工的な壁境界条件を課した乱流の直接数値シミュレーションを行った. 2.計算条件 計算領域及び座標系を図1に示す.計算スキームには高次差分を用いている(2).本研究においては計算領域にMinimal flow unit(Jimenez & Moin(3))を用いることで計算負荷を減らし,様々な条件を与えることを可能とした.流れ場は,壁面摩擦速度ut及びチャネル半幅 で無次元化されたレイノルズ数を150とした.境界条件として,両壁面においてはNon-slip条件を与えた.抑制効果を与える項(-  )をスパン方向速度の運動方程式に加えた.抑制効果の強さを表すパラメータは,0<y+<20の範囲で＝1,2,4の三種類を設定し,それ以外の領域では＝0とした.また,温度場の境界条件としてKasagiら(4)と同様に等熱流束条件を与え,いずれも壁面上の温度乱れはなしとした.Pr数は空気を想定して0.71とした.計算領域は流れ方向x,壁垂直方向y,スパン方向zの各方向に1.25 ×2×0.375である(各方向の粘性長さは589,300,176).差分格子数はx,y,z各方向それぞれに48×97×36である.初期流れ場はKasagiら(4)による十分発達した二次元チャネル乱流においてMinimal flow unitに相当する計算領域を取りだし,その流れ場及び温度場が十分発達したものを用いた.乱流統計量は,流れ場及び温度場が十分発達した後の 時間(24000タイムステップ)及び,x-z平面の時空間平均として求めた.以下に示す計算結果はすべて壁面摩擦速度ur,壁面摩擦温度 r及び動粘度 で無次元化を行った.また,比較のため＝0の速度場,温度場の計算結果(5)及び両壁面w free-slip条件の速度場,温度場の計算結果も示す. 3.結果 平均速度分布を図2に示す.実線が＝0の結果を示し,波線が両壁がw Free-slipの結果を示している.また,その他の点線は,スパン方向速度に抑制を与えた場合の結果である.w Free-slipの場合は対数領域でかなり小さく表れており,抵抗が増大している.≠0の場合は抑制の強度を大きくするにつれて対数領域で＝0の場合より大きくなっている.壁面摩擦係数 は減少しており,定量的にも摩擦抵抗が減少していることがわかる.図3に乱流エネルギー の収支式の各項の比較を示す.抑制項は絶対値としては小さい.壁近くで散逸項と粘性拡散項が減少している.生成項はピーク位置からチャネル中央へかけて増大しており,それに伴い散逸項も＝0の場合に比べて増大している.＝4の場合においては,上述の現象は著しくなり,壁近くで乱流拡散項も減少している.生成項は壁近くから減少し,ピーク位置がチャネル中央へ移動しており,その絶対値は増大している.  図表表1:バルク速度及び摩擦係数(W Damping条件) / 図3:乱流エネルギーの分布(＝4). 上記のことを踏まえて次に、乱れの再分配機構について考える。図4に圧力歪相関項 22,33を示す.全体の再分配の形態としては壁の極近傍では歪速度 , が減少し,22,33のそれぞれの占める割合が同等の割合に近づいている.即ち斜めに歪んだ領域が弱められ楕円運動している縦渦(6)が剛体回転渦に近づいている.  図4:圧力歪相関項の分布(a)22(b)334.結論 本研究では,壁面摩擦抵抗低減のメカニズムを探るために,Suzuki & Kasagi(1994)らが提案しているリブレット壁面上の壁面摩擦抵抗低減機構をもとにスパン方向速度に注目した直接数値シミュレーションを行い,以下の基礎的な知見を得た. 壁面上でスパン方向速度のみにフリースリップを与えることは,壁面上でスパン方向速度変動成分を許容し,それに伴い壁面近傍でかえって歪速度を増加し得る,乱れエネルギーの再分配が活発化し,運動量輸送が増大するため,結果として摩擦抵抗は増大する.スパン方向速度に抑制効果を与えることは,歪速度(dw/dz)を弱める,それは同時に縦渦構造まわりの乱れエネルギーの再分配を抑えることになるため,壁垂直方向への運動量輸送が減少し,結果的に壁面摩擦が低減する. 以上の知見から,スパン方向速度変動の抑制が,特にバッファ領域での抑制が,壁乱流摩擦抵抗低減において極めて効果的な一般的指針のひとつであることが明かになった. 参考文献(1)Suzuki,Y.and Kasagi,N.,AIAA Journal,Vol.32,No.9,pp.1781-1790,1994.(2)梶島,日本機械学会論文集,60,B-574,pp.2058-2063,1994.(3)佐竹,笠木,第26回乱流シンボジュウム講演論文集,358-361,1994.(4)Jimenez,J.and Moin,P.,J.Fluid Meeh.,225,213-240,1991.(5)Kasagi,N.,Tomita,Y.and Kuroda,A.,ASME J.Heat Mass Transfer,Vol.114,pp.598-606,1992.(6)Iida,O.and Kasagi,N.,Proc.9th Symp.Turbulent Shear Flows,Kyoto,24-4-1,1993. |
| 審査要旨 | | 本論文は,「乱流摩擦抵抗低減機構に関する基礎的研究」と題し,5章より成っている。乱流現象は自然界,産業界を通じて我々の生活に密接な関連を有しているが,これらの現象を望むままに変えようとする,いわゆる乱流制御の問題は重要な工学的課題の一つである。この問題に関する基礎研究や技術開発の歴史は既に長いが,現在知られている制御手法については,その物理機構が十分に明らかにされておらず,従って各手法の最適化あるいは新しい制御技術の開発が困難になっている。一方,近年の計算機の発展と共に,種々の熱流動をその支配方程式群を数値的に忠実に解いて再現する直接数値シミュレーション手法が可能になった。そこで,本論文ではこのような数値実験方法を応用して,特に工学的に重要な乱流摩擦抵抗の低減機構について,基礎的研究を行っている。 第1章は序論であり,従来の乱流現象の制御の関連研究を概観し,本研究の目的を述べている。中でも,顕著な摩擦抵抗低減効果を有する表面デバイスとして,流れ方向に微細な溝を有するリブレットに注目し,最近の実験研究によって示唆される二種の力学的な効果,即ち,スパン方向速度の減衰力作用による渦運動の抑制,リブレット面で形成されるスリップ面による渦構造の再生成の抑制を,人工的な壁(領域)境界条件を課したチャネル乱流のシミュレーションを通じて検討することを提言している。さらにその結果から乱流制御デバイス開発のための一般的な指針を得ることを目的として研究が行われたことが述べられている。 第2章では,シミュレーションに用いられた数値手法について詳細が述べられている。差分計算スキームには高次差分を,そして,様々な条件下でのシミュレーションを行うために,計算領域には壁乱流の基本的力学機構が維持できる最小の計算体積を採用することによって計算負荷を軽減したことが説明されている。通常の粘着条件を課したチャネル乱流に加えて,上述の二種の効果を模擬する条件,即ち,壁近傍の粘性低層及びバッファ領域でスパン方向速度を抑制する体積力を与える条件,壁面でスパン方向にのみスリップを許す条件が選択されたことが述べられている。計算手法の健全性についても,系統的な吟味が行われてことが述べられている。 第3章では,二種の特異な条件下でのチャネル乱流の乱れの統計量についての比較検討結果が示されている。フリースリップ条件を与えた場合には摩擦抵抗が増加するのに対して,壁近傍領域でスパン方向速度が抑制を受ける場合には摩擦抵抗が著しく減少することが示されている。このような壁近傍の乱流場の変化は,同様に熱伝達率,各種の乱れの統計量,それらの生成や散逸を含む収支に明らかな変化を示してることが指摘されている。 第4章では,前章で明らかにされた乱れ場の構造的な変化が,壁乱流特有の縦渦構造の力学機構におけるどのような変化に支えられているのかについて考察が加えられる。中でも,縦渦構造に主として担われている乱れの再分配機構に関して,重畳する歪み速度,即ち圧力歪み相関の増減が明らかにされる。渦構造に加わる歪み速度が弱められることによって縦渦構造は剛体回転状態に移し,壁垂直方向への運動量輸送が減少し,結果的に壁面摩擦が低減することが指摘されている。 第5章は,結論であり,本論文で得られた成果をまとめている。 以上要するに,本論文では,工学上あるいは自然界において重要な壁乱流の摩擦抵抗低減の力学機構を検討するため,仮想的な境界条件下での壁乱流の直接数値シミュレーションを行うという独自のアプローチを通じて,壁面近傍領域のスパン方向の速度乱れを抑制することが極めて効果的であるという基礎的かつ一般的知見を得ている。このような知見は今後の種々の乱流制御手法・デバイス開発のうえで有益な指針として位置づけられる。従って,本論文は熱流体工学及び乱流工学の上で寄与するところが大きい。 よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。 |