乱流の世界最大規模直接数値計算とモデリングによる応用計算
Direct Numerical Simulations of Fundamental Turbulent Flows with the Largest Grid Numbers in the World and its Application of Modelling for Engineering Turbulent Flows
金田 行雄
Yukio Kaneda
地球環境問題に限らず、自然・工学の多くの分野で現れる乱流は、巨大な自由度を有する非線形なシステムである．このような巨大自由度の流動現象の予測技術向上のためには、乱流の超多自由度系としての性質の物理・数理的な解明とその知見に基づく応用が必要不可欠である．本プロジェクトでは、地球シミュレータ(ES)を用いて、乱流の規範的(カノニカル)な問題の大規模直接数値計算(DNS)を実施し、高Re乱流現象の解明を行うことを目的とする．また、得られた高Re乱流データベースを用いて、LES乱流モデルの信頼性を確認しながら、環境問題に寄与する流れを含む複雑流動現象の大規模LESを行い、現象解明とともに基礎的な知見の応用を目指す．
本プロジェクトでは，高レイノルズ数(Re)乱流現象の解明を行うため，地球シミュレータ(ES)を用いて乱流の最も規範的(カノニカル)な問題の大規模直接数値計算(DNS)を実施する．また，得られた高Re乱流データを用いてLESモデルの信頼性を確認しながら，環境問題に寄与する流れを含む，複雑流動現象の大規模LESを行い，現象解明とともに基礎的な知見の応用を目指す．具体的には以下のテーマについて成果をあげることを目標とする．
非一様性乱流中の小スケールにおける統計法則を明らかにするため，非一様性乱流の大規模DNSを実施し，普遍統計法則を追求する．特に、非一様性乱流のカノニカルな問題として基礎的な平行平板間乱流について、ES用に開発した、高精度高解像度かつ高効率な解法を用いて、大規模DNSを実施し，高Reにおける壁近傍の乱流の統計的性質を調べる．
また，大気境界層に関連して，初年度に実施した、平板上の乱流境界層の世界最高の高レイノルズ数かつ広い計算領域，及び長時間に亘るDNS結果をまとめ，信頼性の高いデータベースを構築する．また、壁面摩擦抵抗と壁面近傍の乱流準秩序構造，及びビルを模擬した粗度の効果，高Re特有の壁遠方における大規模構造との関係を調べる．
応用では，初年度に複合的な乱流場での信頼性が確保されたLESを用いて、実際の都市あるいは地形を対象とした，できるだけ広い領域における高解像度大規模計算を実現した．また，都市境界層を想定し，空間発達型乱流境界層において，比較的大きな粗度の影響(密度，形状，配列パターン)あるいは柔性のある植生効果などを検討し，キャノピー層(ラフネスレイヤー)内も含めた乱流構造を明らかにした．以上の結果を踏まえ、粗面乱流境界層の特性分析として，一様ラフネスのスケール効果を調べる。また，実都市の地表被覆状態を再現した風の流れのLES解析を行い，環境・防災問題への展開を実施する．
また，大都市のビルにおける冷暖房システムの省エネを目的として，平行平板間乱流DNSにおいて，界面活性剤を模擬し，抵抗低減メカニズムの解明と伝熱性能の評価を行い，実規模のビル省エネ実験に貢献する．