[論文レビュー] DNS of heat transfer in a transitional channel flow accompanied by a turbulent puff-like structure

Takahiro Tsukahara, Kaoru Iwamoto+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2014

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、低摩擦レイノルズ数（Reτ = 60–180）における遷移的チャネル流れの熱伝達を直接数値シミュレーション（DNS）を用いて調査し、局所的な乱流パフ様構造の役割に注目している。パフはReτ = 60まで乱流を維持し、それを通じて跨方向の二次流れを誘発し、運動量および熱伝達を強化する。その結果、非常に低いレイノルズ数でも、層流状態に比べて顕著に高いヌセルト数が得られる。

ABSTRACT

Direct numerical simulations of turbulent heat transfer in fully-developed channel flows have been performed in a range of friction Reynolds number between 60 and 180, based on the friction velocity and the channel half width $δ$, with emphasis on a puff-like structure, large-scale spatial intermittency. For the Reynolds numbers lower than 80 with a large computational domain of 51.2 x 2 x 22.5, the turbulent puff was observed and its significant influences on the momentum and heat transports were found. The spatial structure of the equilibrium puff, or the localized turbulence, was examined with taking account of two different thermal boundary conditions: the uniform heat-flux heating and the constant temperature difference between the walls. It was revealed that there existed a localized strong turbulent region in the form of an oblique band, along which a spanwise secondary flow was induced. In consequence, at the present lowest Reynolds number as low as 60, the flow remained turbulent and the larger Nusselt numbers than those without puff was obtained by the presence of puff.

研究の動機と目的

• 低レイノルズ数における遷移的チャネル流れの熱伝達に、局所的な乱流パフ様構造が与える影響を調査すること。
• 空間的間欠性を伴う状況下で、パフが運動量および熱輸送に与える影響を検討すること。
• 一定熱流束および一定壁温差という2つの熱的境界条件における熱伝達特性を比較すること。
• パフ構造がReτが60にまで低下しても乱流を維持し、スカラー輸送を強化できるかどうかを特定すること。
• パフの乱流領域における二次流れおよびストリーク構造の役割を分析すること。

提案手法

• 広い範囲の摩擦レイノルズ数（Reτ = 60 から 180）における完全に発達したチャネル流れの直接数値シミュレーション（DNS）を実施した。
• 遷移的流れに特徴的な延長された斜めのパフ様構造を解像できるように、最大51.2δ × 22.5δの大きな計算領域を用いた。
• 一定熱流束および壁間の温度差を一定に保つ2つの熱的境界条件をシミュレーションした。
• 壁単位（y+）を非次元化して、平均速度および温度プロファイルを分析した。
• 壁せん断応力および平均流体温度に基づく標準的な非次元定義を用いて、摩擦係数（Cf）およびヌセルト数（Nu）を計算した。
• パフの層流-乱流界面周辺における乱流および二次流れの空間的構造を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Reτ ≤ 80における遷移的チャネル流れにおいて、パフ様構造の存在が熱伝達に与える影響は何か？
• RQ2 パフによって誘発される跨方向の二次流れが、運動量および熱輸送を強化する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ3 パフ領域における平均速度および温度プロファイルは、完全に乱流状態または層流状態と比べてどのように異なるか？
• RQ4 非常に低いレイノルズ数における非パフ状態と比較して、パフがヌセルト数をどの程度向上させるか？
• RQ5 パフ構造、ストリーク構造、および局所的乱流強度の増大との関係は何か？

主な発見

• パフ様構造は、Reτ = 60まで安定して存在し、非常に低いレイノルズ数であっても層流化を防ぐ。
• 跨方向の二次流れによって誘発され、流れ方向に対して約24°傾いた斜めのバンド状に強い乱流領域が形成される。
• パフは摩擦抵抗および熱伝達を両方強化し、Reτ ≤ 64の非パフ状態と比較して、顕著に高いヌセルト数を示す。
• パフを伴う平均ヌセルト数は、Reτ = 60でも、経験的乱流相関式に近い値を示し、持続的な熱伝達強化を示している。
• パフに影響を受ける流れにおける平均速度および温度プロファイルは、非パフ状態と比較してレイノルズ数依存性が弱く、Reτの変動に対して感受性が低い。
• パフの間欠的乱流領域内に、完全に発達した乱流に特徴的なストリーク構造が観察され、部分的に発達乱流と類似した性質を示している。