平成21年度 地球シミュレータ利用報告会

乱流の世界最大規模直接計算とモデリングによる応用計算

発表資料 (2.19MB)

1. プロジェクト名

乱流の世界最大規模直接計算とモデリングによる応用計算

Direct Numerical Simulations of Fundamental Turbulent Flows with the World's Largest Number of Grid-points and Application to Modeling of Engineering Turbulent Flows

2. プロジェクト責任者名

金田 行雄 (名古屋大学大学院工学研究科)

Yukio Kaneda

3. プロジェクトの目的

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，高レイノルズ数乱流現象の解明を行うことを目的とする．また，得られた高レイノルズ数乱流データベースおよび知見を共有して，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や乱流現象に関連した応用問題の大規模DNSを行い，現象解明とともに基礎的な知見の応用を目指す．

4. 今年度当初の計画

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乱流データベースおよび知見を共有して，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や乱流現象に関連した応用問題の大規模DNS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の研究を行う．

【基礎分野】

１）高レイノルズ数平行二平板間乱流の直接数値計算とデータ解析

地球シミュレータ用に最適化した平行平板間乱流の直接数値計算コードを用いて，世界最高の高レイノルズ数の平行平板間乱流DNSを実現し，高レイノルズ数壁乱流のデータベースを作成する．得られるデータを解析して，壁乱流の対数則が成り立つ流体の領域において，コルモゴロフの-5/3乗則がどのように実現するのか（しないのか）など，非一様性乱流の小スケールにおける統計法則を明らかにする．

２）乱流境界層の大規模直接数値計算とその活用

大気境界層に関連して，昨年度までに実施した，平板上の乱流境界層の世界最高の高レイノルズ数・高プラントル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，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．さらに，ビルを模擬した粗度の効果，及び様々な汚染物質をターゲットとしてプラントル数依存性を調査し，都市を想定した粗面モデリングに役立てる．

【応用分野】

３）実都市を対象とした，できるだけ広い領域における高解像度大規模LES計算

複合的な乱流場での信頼性が確保されている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する．研究項目としては，まず，都市境界層を想定し，乱流基本場の解析を実施する．比較的大きい建物粗度での境界層乱流場での相似性を解明し，その法則に基づき，都市型変動流入作成法を確立する．続いて，実都市の地表被覆状態を再現した風系の乱流場のLES解析を行う．地表面近傍での乱流の微細構造に基づき，都市キャノピー・ストリートキャニオンでの強風ガストの時空間構造を解明する．さらには，メソ気象スケールと都市スケールの乱流場のハイブリッド解析から，台風などの特殊気象擾乱下での強風レベルの推定を行う．また，丸の内・六本木などの高層建物林立地域での乱流場の経年変化を把握するとともに，都市高層建物群地域の維持管理のための防災・環境に関わる乱流データベース作成し，環境・防災問題の解決に向けたシミュレーション結果の実用問題への展開を実施する．

４）界面活性剤を模擬した平行平板間乱流DNSを用いた抵抗低減メカニズムの解明

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．

5. 研究計画に沿った利用状況度

１）高レイノルズ数平行二平板間乱流の直接数値計算とデータ解析

ES2用に平行平板間乱流のコードを最適化し直し（ベクトル化率99.634 %，並列化率99.9764 %），使用可能な最大128ノードが使用できるようにした．上記コードを用いて，ES2（64ノード）上で平行平板間乱流の世界最大レイノルズ数DNSをより高い時間解像度で実現し，乱流統計法則を検証するためのより精度の高いデータを構築した．

２）乱流境界層の大規模直接数値計算とその活用

スペクトル法を用いた乱流境界層のコードを新しく開発し，それをES2用に最適化し（ベクトル化率99.429%，並列化率99.8769%，利用可能ノード数32），より高解像度な壁乱流データを構築可能にした．上記コードを用いて，ES2の16ノードを用いて乱流境界層の世界最大レイノルズ数（タイ記録，Rθ~2500）をより高い空間分解能で実現した．また，粗面の効果を考慮した乱流境界層のES2用のDNSコードを新たに作成する（ベクトル化率99.248%，並列化率97.433%，使用可能ノード数4）とともに，プラントル数の異なる複数の濃度場を同時に計算可能とするように既存のコードを改良した．

３）実都市を対象とした，できるだけ広い領域における高解像度大規模LES計算

ES2で計算可能となる都市境界層モデルを作成し，高解像度大規模乱流解析からキャノピー層の乱流構造の違いについて明らかにした．また，都市細密データに基づき，経年変化する密集高層建物群を対象としたES2用の大規模計算モデルを作成するとともに，検証用風洞実験データの整備を進めた．

４）界面活性剤を模擬した平行平板間乱流DNSを用いた抵抗低減メカニズムの解明

平行平板間乱流における乱流構造と抵抗低減との関係を考察するとともに2層モデルを用いて界面活性剤を模擬した平行平板間乱流の予備的DNSを実施した．

6. 今年度得られた成果、および達成度

成果

平行平板間乱流のDNSにおいてはES2用にコードを最適化し直し，使用可能な最大ノードが使用できるようにした．これにより，今年度は10月以降ノードが占有されていたため実現できなかったが，128ノード使用すれば前ESで実現した世界最大レイノルズ数のさらに倍のレイノルズ数（壁摩擦速度に基づくレイノルズ数5000）の乱流場が実現できる見通しが得られた．新しく最適化し直したコードを用いて，ES2（64ノード）上で平行平板間乱流の世界最大レイノルズ数DNSをより高い時間解像度で実現し，乱流統計法則を検証するためのより精度の高いデータを構築した．そのデータを解析した結果，コルモゴロフの理論と整合性のあるスペクトルや構造関数等の統計データが得られることがわかった．また，乱流の普遍統計法則に関連してES及びES2でおこなったMHD乱流の大規模DNSの結果をまとめ公表した．

乱流境界層のDNSにおいてはスペクトル法を用いた乱流境界層のコードを新しく開発し，それをES2用に最適化（32ノードまで使用可能）し，より高解像度な壁乱流データを構築可能にした．ES2の16ノードを用いてDNSでは乱流境界層の世界最大レイノルズ数（タイ記録）をより高い空間分解能で実現する計算が現在進行中である．また，大気境界層に関連して，ビルを模擬した粗度の効果を含めた乱流境界層のDNSコードを作成した．また，様々な汚染物質の拡散を評価できるように，プラントル数の異なる数種類の濃度場を同時に計算するコードに改良した．

実都市を対象とした，できるだけ広い領域における高解像度大規模LES計算では，都市構造の異なる二つの地区，高層建物の集まる丸の内地区と中低層建物が多い八重洲地区のES2で計算可能となる都市モデルを作成し，高解像度大規模乱流解析から，キャノピー層の乱流構造の違いについて明らかにした．さらに，物質の拡散特性の都市構造での差異についても地表面付近での乱流渦性状の違いにより考察にした．

　メソ気象スケールと都市スケールの乱流場のハイブリッド解析では，メソ気象スケール以下のサブグリッド乱流構造を都市スケール乱流場で再現する手法について，実スケール大規模大気境界層乱流解析により実証した．

東京地区を対象に，日本海側を抜ける台風，東京に直撃する台風，太平洋岸を発達する三つの気象擾乱現象を対象に気象モデルでの解析を行い，東京地区での上空風速を推定し，それを基準風速としながら，丸の内地区の密集高層建物群でのLES解析から屋上風速を把握し，屋上観測値との比較から精度検証を行うとともに，都市での強風災害低減のための強風のガスト特性を提示した．なお，その際，建物の配置形態の強風特性に与える影響が鋭敏であることが判明され，過去から未来へ，都市が発展して都市形態が変化する状況を想定し，都市細密データに基づき，ES2用の大規模計算モデルを作成するとともに，検証用風洞実験データの整備を進めた．

界面活性剤を添加した平行平板間乱流のDNSにおいては，乱流構造と抵抗低減との関係を考察するとともに2層モデルを用いたDNS計算，DNS計算結果を用いて乱流モデルの構築を行った．研究成果をとりまとめ学会発表した．成功裏に終了した実規模のビル省エネ実験の結果を，学会発表，講演の形で公表した．

達成度

  • １）高レイノルズ数平行二平板間乱流の直接数値計算とデータ解析（70%）
  • ２）乱流境界層の大規模直接数値計算とその活用　（70%）
  • ３）実都市を対象とした，できるだけ広い領域における高解像度大規模LES計算　（60%）
  • ４）界面活性剤を模擬した平行平板間乱流DNSを用いた抵抗低減メカニズムの解明（50%）

8. 研究成果一覧 (投稿中の論文、予定講演の場合はその旨記載のこと)

a. 原著論文 (査読あり)

  • - Katsunori Yoshimatsu, Yuji Kondo, Kai Schneider, Naoya Okamoto, Hiroyuki Hagiwara, Marie Farge, Wavelet-based coherent vorticity sheet and current sheet extraction from three-dimensional homogeneous magnetohydrodynamic turbulence, Physics of Plasmas, Vol. 16, 2009/08, pp. 082306
  • - Yukio Kaneda, Takashi Ishihara, Universality in Statistics at Small Scales of Turbulence: A Study by High Resolution DNS, Turbulence and Interactions, Keynote Lectures of the TI 2006 Conference, Series: Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Vol. 105, Michel Deville, Thien-Hiep Le, Pierre Sagaut (Eds.), 2009/6, pp. 55-76
  • - 芳松克則, 岡本直也, Marie Farge, Kai Schneider, 三次元一様等方性乱流からの秩序渦構造の抽出 －ウェーブレット及びフーリエ非線形フィルター手法の比較－,第58回理論応用力学講演会講演論文集, 2009/6/9, pp. 211-212
  • - N. Okamoto, P. Davidson and Y. Kaneda, 'On the decay of low magnetic Reynolds number turbulence in an imposed magnetic field', J. Fluid Mech. (accepted)
  • - LES study on urban roughness effects on turbulence statistics of atmospheric boundary layer, K. Nozawa, M. Ohashi, T. Tamura and Y. Okuda, Proc. of EACWE5, Florence, Italy, 19-23 July, 2009.
  • - Coupling method of Meso-scale model and LES based on scale similarity model, K. Nozawa and T. Tamura, Proc. of CWE2010, North Carolina, USA, 23-27, May, 2010.
  • - Large eddy simulation on building aerodynamics, T. Tamura, Proc. of 7th APCWE, Taipei, Taiwan, 8-12 November, 2009.
  • - Hybrid analysis of meso-meteorological model and les for strong wind in dense tall buildings, T. Kishida, T. Tamura, et al., Proc. of 7th APCWE, Taipei, Taiwan, 8-12 November, 2009.
  • - 都市域における高層建物屋上での風観測値に関する数値的研究，岸田岳士，田村哲郎，奥田泰雄，中村　修，宮下康一，日本建築学会構造系論文集，643, 159-165, 2009.
  • - Kagawa, Y., Yu, B., Kawaguchi, Y., Kawamura, H. and Shiraishi, Y., “Turbulent heat transfer of Viscoelastic fluid flow accompanied by drag reduction with DNS analysis”, Progress in Computer Fluid Dynamics, 8-7/8 ( 2008), 477-485.
  • - Wei, J.J., Kawaguchi, Y., Li, F-Ch., Yu, B., Zakin, J.L., Hart, D.J., Oba, G., Zhang, Y. and Ge, W., “Drag Reduction and Turbulence Characteristics in Sub-Zero Temperature Range of Cationic and Zwitterionic Surfactants in EG/Water Solvent”, Journal of Turbulence, 10-10 (Jan. 2009), pp.1-15
  • - Wang, Y., Yu, B., Wei, J.J., Li, F.-Ch. and Kawaguchi, Y., “Direct Numerical Simulation on Drag-Reducing Flow by Polymer Additives Using a Spring-Dumbbell Model”, Progress in Computational Fluid Dynamics, 9-3/4/5 (May.? 2009), pp.217-224
  • - Wei, J.J., Kawaguchi, Y., Li, F.C., Yu, B., Zakin, J.L., Hart, D.J., Zhang, Y., “Drag-reducing and heat transfer characteristics of a novel zwitterionic surfactant solution”, Int. J. Heat Mass Transfer, 52 15-16 (Jul. 2009), pp.3547-3554
  • - Ishigami, T., Tsukahara, T., Kawaguchi, Y. and Yu, B., “DNS Study on Viscoelastic Effect in Drag -Reduced Turbulent Channel Flow'”, Proc. TSFP6, (2009, Jun. 6).
  • - Takeuchi, H., Kawaguchi, Y., Tokuhara, K. and Fujiwara, Y., “Actual Proof Test of Energy Conservation in Central Heating/Cooling System Adapting Surfactant Drag Reduction”, Proc. 8th International Conference on Sustainable Energy Technologies (SET2009), .Aachen, Germany, (2009, Sep. 1)
  • - Ishigami, T., Tsukahara, T. and Kawaguchi, Y., “DNS Study on “Diameter Effect of Drag Reduction in Viscoelastic-Fluif Flow”, Proc. ETC-12, (2009, Sep. 7)
  • - Ishigami, T., Tsukahara, T. and Kawaguchi, Y., “DNS of a drag-reducing viscoelastic turbulent flow with heat transfer”, Proc. ASCHT09, (2009, Oct.20).
  • - Yu, B., Wu, X, Wei, J.J., Li, F.-Ch. and Kawaguchi, Y., “DNS Study on the Heat Transfer Reduction Mechanism of Surfactant Drag-reducing Flow with a Bilayer Model”, Proc. ASCHT09, (2009, Oct.20)

b. 原著論文 (査読なし、および雑誌等寄稿)

  • - Yukio Kaneda, Katsunori Yoshimatsu, Maro Midorikawa, Columnar Structure Formation in Freely-decaying Homogeneous Rotating Turbulence, Book of Abstracts, Russia-Japan Joint Symposium on Numerical Experiment in Hydrodynamical Instability and Turbulence with High-Performance Computing, Moscow, November 11-13, 2009, pp. 27-30
  • - 石原卓, 乱流の大規模DNSデータ解析：速度差の統計の距離依存性とレイノルズ数依存性，九州大学応用力学研究所研究集会報告, 20ME-S6, 2009/5, p. 176
  • - 近藤祐史, 芳松克則, 岡本直也, 萩原裕之, Wavelet解析による一様等方性電磁流体乱流の秩序構造抽出, 九州大学応用力学研究所研究集会報告, 20ME-S6, 2009/5, pp. 16-21
  • - 建築物の耐風性能評価のためのLES，田村哲郎，日本風工学会誌，121, 426-448, 2009.
  • - 川口靖夫，「化学物質添加による流水の抵抗低減」，科学フォーラム(東京理科大学)，26-5，（2009年5月）pp.46-49

c. 学会等発表 (ポスターセッションの場合はその旨記載)

  • - 石原卓, 加藤雅之, 金田行雄，スペクトル法を用いた乱流境界層の直接数値計算, 第87期日本機械学会流体工学部門講演会,名古屋工業大学, 2009/11/7-8 (11/7)
  • - 近藤祐史, 芳松克則, 岡本直也, ウェーブレットによる3次元一様電磁流体乱流からの秩序構造の抽出, 第7回日本流体力学会中部支部講演会,名古屋大学VBL,2009/10/16
  • - 髙橋一樹, 石原卓, 一様等方性乱流の大規模DNSデータベースを用いた渦集中領域の構造解析,日本物理学会2009年秋季大会,熊本大学,2009/9/25-28
  • - 加藤雅之, 石原卓, 金田行雄, フリンジ法を用いた乱流境界層の直接数値計算, 日本流体力学会年会2009
  • - 芳松克則, 岡本直也, Marie Farge, Kai Schneider, 三次元一様等方性乱流からの秩序渦構造の抽出 －ウェーブレット及びフーリエ非線形フィルター手法の比較－,第58回理論応用力学講演会,日本学術会議, 東京都港区,, 2009/6/9-11 (6/10)
  • - 芳松克則，近藤祐史, 3次元電磁流体乱流における3次構造関数, 日本物理学会　第65回年次大会, 3月21日, 2009
  • - LESのone-wayネスティングにおける高波数乱流成分の再現について，野澤剛二郎，田村哲郎，第23回数値流体シンポジウム，2009.
  • - 川本治幸，塚原隆裕，川口靖夫，「粘弾性流体の抵抗低減乱流に適用可能なk-eモデルの提案」，流体力学会年会2009(2009)，東京

d. 講演

  • - Yukio Kaneda, Katsunori Yoshimatsu, Maro Midorikawa，Columnar Structure Formation in Freely-decaying Homogeneous Rotating Turbulence，Russia-Japan Joint Symposium on Numerical Experiment in Hydrodynamical Instability and Turbulence with High-Performance Computing, Moscow, November 11-13, 2009
  • - Yukio Kaneda，Formation of columnar structure in rotating turbulence，Genevieve Comte-Bellot, Fifty Years of Research on Turbulence and Acoustics, Ecole Centrale de Lyon, Thursday 29th & Friday 30th October 2009 [Invited Lecture]
  • - Yoshimatsu, Kondo, Schneider, Okamoto, Hagiwara, Farge, Wavelet-based coherent vorticity sheet and current sheet extraction from 3D homogeneous MHD turbulence, Physical and Mathematical Challenges in light of ITER, Marseille, France, from October 26 - 30th, 2009[Invited Lecture]
  • - Yukio Kaneda, Problems in Spectral Closure Approaches to Turbulence -- Challenges invited by R. H. Kraichnan, International Symposium on Turbulence, September 21 ? 25, 2009, Beijing, China, 2009/9/21-25 (9/21) [Invited Lecture]
  • - Naoya Okamoto, Katsunori Yoshimatsu, Kai Schneider, Marie Farge, Yukio Kaneda, Coherent vortex simulation: application to 3D homogeneous isotropic turbulence, 12thEUROMECH European Turbulence Conference, Marburg, Sept. 7 - 10, 2009
  • - Katsunori Yoshimatsu, Naoya Okamoto, Kai Schneider, Yukio Kaneda, Marie Farge, Intermittency in high resolution direct numerical simulation of turbulence in a periodic box: a wavelet viewpoint, 12thEUROMECH European Turbulence Conference, Marburg, Sept. 7 - 10, 2009[Poster]
  • - Yukio Kaneda, Examination of Kolmogorov’s idea of universality in turbulence by computational approaches, Turbulent Mixing and Beyond, Second International Conference and Advanced School, Trieste, Italy, 27 July - 07 August, 2009[ Invited Lecture]
  • - Kawaguchi, Y., Tsukahara, T. and Motozawa M., “Experimental and numerical investigations of turbulent drag reduction phenomena by additives", Keynote Lecture, Proc. ASCHT09, (2009. 10.20)
  • - 川口靖夫，「添加剤による乱流の摩擦抵抗低減－流動の計測・シミュレーション・ビル空調システムへの応用」，日本機械学会熱工学部門熱工学コンファレンス，プレコンファレンスセミナー，(2009.11.06)

e. 新聞、雑誌での掲載記事

  • 該当なし