[論文レビュー] Turbulent heat transfer in a channel flow at transitional Reynolds numbers

Takahiro Tsukahara, Hiroshi Kawamura|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2014

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 9被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、遷移乱流数におけるチャネル流れにおける乱流熱移動を大規模直接数値シミュレーション（DNS）を用いて調査し、間欠的乱流パフの役割に注目している。結果から、パフは乱流を維持し、熱移動を強化することが示された。主な遷移乱流数はReτ ≈ 80（パフ形成の開始）およびReτ ≈ 56（層流化閾値）として特定され、計算ボックスサイズの変化に伴う摩擦力およびスタントン数の分析により検証された。

ABSTRACT

Direct numerical simulation of a turbulent channel flow with heat transfer was performed at very low Reynolds numbers. Two different thermal boundary conditions were studied, and temperature was considered as a passive scalar. The computations were carried out with huge computational boxes (up to 327.7 x 2 x 128 in the streamwise, wall-normal, and spanwise directions, respectively). The emphases of this paper are to investigate the large-scale structure (puff) in the intermittent-turbulent flow including the scalar fields and to provide the values of the transitional and critical Reynolds numbers, below which the turbulent flow becomes intermittent and laminar, respectively. The statistics, such as the skin friction and the Stanton number, were also examined: they suggest that the puff should be effective in sustaining turbulence and in heat transfer enhancement.

研究の動機と目的

• 遷移領域のチャネル流れにおける大規模乱流パフの形成と影響を調査すること。
• 乱流が間欠的になる臨界乱流数（Reτ）と、層流に戻る臨界乱流数（Reτ）を特定すること。
• 低乱流数領域におけるパフの熱移動強化および摩擦力に与える影響を検討すること。
• パフ構造の頑健性を、その完全な空間的発展を捉えることができる大規模計算領域を用いて検証すること。
• 一様熱フラックス（UHF）と一定温度勾配（CTD）の2つの熱的境界条件を比較し、それらがスカラー場および速度場統計に与える影響を検討すること。

提案手法

• 流体の性質が一定で、プラントル数Pr = 0.71であ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）を実施すること。
• 2つの熱的境界条件を採用：両壁に一様熱フラックス（UHF）を適用し、または両壁間の温度勾配を一定に保つ（CTD）。
• パフの完全な空間的スケールを解像できる大規模計算ボックス（最大327.68δ × 2δ × 128δ）を用い、流れ方向および spanwise 方向に周期的境界条件を適用すること。
• 壁面法線方向には非一様グリッドの細分化を、流れ方向および spanwise 方向には一様グリッドを用いて、大規模構造の高精度な解像を実現すること。
• 壁面単位（例：u⁺, θ⁺）を用いた次元なし化を行い、平均速度、温度、摩擦力係数（Cf）、スタントン数（St）などのアンサンブル平均統計量を算出すること。
• 初期に高いReτでシミュレーションを開始し、徐々に低いReτに低下させることで、収束性および統計的定常状態のスカラー場を保証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱移動を伴うチャネル流れにおいて、乱流パフが最初に現れる乱流数は何か？
• RQ2 遷移領域において、摩擦力係数（Cf）およびスタントン数（St）はどのように変化するのか？また、パフは乱流の維持および熱移動の強化にどのような役割を果たすのか？
• RQ3 異なる熱的境界条件（UHF 対 CTD）は、スカラーおよび速度フラクチュエーションの整列性と間欠性にどのように影響を及ぼすのか？
• RQ4 計算ボックスサイズおよびドメイン解像度は、遷移領域における観測統計にどの程度の影響を及ぼすのか？
• RQ5 どの臨界乱流数以下で、流れが間欠的乱流から完全な層流に遷移するのか？

主な発見

• 327.68δ × 2δ × 128δという大規模計算ボックスを用いることで、パフ構造が計算領域サイズの制限によるアーティファクトではなく、実際の物理的特徴であることが確認された。
• 遷移乱流数Reτ ≈ 80は、パフ形成の開始を示し、パフはチャネル断面全体にわたる局所的乱流を維持している。
• 臨界乱流数Reτ ≈ 56は、層流化の閾値に対応し、この値未満ではパフ構造が消失し、流れは完全に層流化する。
• 大規模ボックス（パフを含む）を用いて算出した摩擦力係数（Cf）およびスタントン数（St）は、徐々に変化し、Reₘ < 2000の領域でも実験的相関式に近い値を示し、パフに起因する乱流の維持が示された。
• UHF条件下では、温度フラクチュエーションθ′が速度フラクチュエーションu′と強く類似しており、パフ領域における運動量輸送と熱輸送の強い結合が示された。
• CTD条件下では、Reτ = 56の時点で、乱流領域の前縁に明確な熱ストリークが出現し、乱流領域およびその周辺における壁面法線方向の熱フラックスが強化されていることが示され、熱移動効率の向上が確認された。