研究課題

半場研究室の最近の研究課題です。

乱流の非局所的な輸送拡散現象
RANSとLESのハイブリッド乱流モデル
電磁流体乱流のダイナモ機構とその応用
回転・旋回乱流の解析とLESのモデリング
統計理論を用いた乱流モデルの基礎研究
その他


乱流の非局所的な輸送拡散現象

乱流モデルで良く用いられる渦粘性近似・渦拡散近似は、レイノルズ応力やスカラーフラックスがその場の平均量の勾配に比例するという局所近似を仮定している。しかし熱対流乱流など大規模な対流渦を含む流れ場では局所近似が良くないことが知られている。本研究では乱流の非局所性を解析し、その機構の理解とモデルの改良を行っている。グリーン関数を用いて厳密な非局所的渦粘性表現を理論的に導出し、チャネル乱流の直接数値計算で検証した。渦粘性の空間的な非局所性だけでなく時間的な非局所性や非等方性について解析を行った。さらに非局所的なモデル式の導出をめざしている。

  • F. Hamba, "Non-local eddy diffusivity model based on turbulent energy density in scale space," Journal of Fluid Mechanics, Vol. 977, A11 1-23 (2023) doi:10.1017/jfm.2023.969
  • F. Hamba, "Analysis and modelling of non-local eddy diffusivity for turbulent scalar flux," Journal of Fluid Mechanics, Vol. 950, A38 1-22 (2022) doi:10.1017/jfm.2022.842
  • F. Hamba, "Scale-space energy density for inhomogeneous turbulence based on filtered velocities," Journal of Fluid Mechanics, Vol. 931, A34 1-24 (2022) doi:10.1017/jfm.2021.1000
  • F. Hamba, "Inverse energy cascade and vortical structure in the near-wall region of turbulent channel flow," Physical Review Fluids, Vol. 4, pp. 114609 1-18 (2019) DOI:10.1103/PhysRevFluids.4.114609
  • F. Hamba, "Turbulent energy density in scale space for inhomogeneous turbulence," Journal of Fluid Mechanics, Vol. 842, pp. 532-553 (2018) DOI:10.1017/jfm.2018.155
  • F. Hamba, "Turbulent energy density and its transport equation in scale space," Physics of Fluids, Vol. 27, pp. 085108 1-18 (2015) DOI:10.1063/1.4928698
  • F. Hamba, "Exact transport equation for local eddy viscosity in turbulent shear flow," Physics of Fluids, Vol. 25, pp. 085102 1-14 (2013) DOI:10.1063/1.4816702
  • F. Hamba, "Exact transport equation for eddy diffusivity in turbulent shear flow," Theoretical and Computational Fluid Dynamics, Vol. 27, pp. 651-664 (2013) DOI:10.1007/s00162-012-0271-0
  • F. Hamba, "Nonlocal analysis of the Reynolds stress in turbulent shear flow," Physics of Fluids, Vol. 17, pp. 115102 1-9 (2005) DOI:10.1063/1.2130749
  • F. Hamba, "Nonlocal expression for scalar flux in turbulent shear flow," Physics of Fluids, Vol. 16, pp. 1493-1508 (2004) DOI:10.1063/1.1697396

チャネル乱流
チャネル乱流の渦の等値面(小スケールと中スケール)


RANSとLESのハイブリッド乱流モデル

高レイノルズ数の壁乱流のラージ・エディー・シミュレーション(LES)を行うには、格子点数の制約から滑りなし境界条件が困難なため何らかの壁面モデルが必要となる。レイノルズ平均モデル(RANS)と組み合わせるハイブリッド計算が精度のよい壁面モデルとして期待される。しかし単純に二つのモデルを組み合わせてチャネル流の計算を行うと平均速度分布に不整合が生じることが知られている。そこで本研究では、速度の不整合の原因を調べそれを取り除く数値計算法を提案し、チャネル流に適用して検証した。また基礎方程式に立ち戻り、ハイブリッドフィルターと空間微分の非可換性から生じる付加項と、速度不整合との関係を理論的に考察した。さらに乱流モデルそのものの本質的な融合をめざして研究を進めている。

  • F. Hamba, "Analysis of filtered Navier-Stokes equation for hybrid RANS/LES simulation," Physics of Fluids, Vol. 23, pp. 015108 1-13 (2011) DOI:10.1063/1.3549933
  • F. Hamba, "Log-layer mismatch and commutation error in hybrid RANS/LES simulation of channel flow," International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 30, pp. 20-31 (2009) DOI:10.1016/j.ijheatfluidflow.2008.10.002
  • F. Hamba, "A hybrid RANS/LES simulation of high-Reynolds-number channel flow using additional filtering at the interface," Theoretical and Computational Fluid Dynamics, Vol. 20, pp. 89-101 (2006) DOI:10.1007/s00162-006-0009-y
  • F. Hamba, "A hybrid RANS/LES simulation of turbulent channel flow," Theoretical and Computational Fluid Dynamics, Vol. 16, pp. 387-403 (2003) DOI:10.1007/s00162-003-0089-x

チャネル流
ハイブリッドフィルターをかけた速度場の渦の等値面と側面の速度分布


電磁流体乱流のダイナモ機構とその応用

地球や太陽などの磁場はダイナモ機構すなわち天体内部の電導性流体の運動によって駆動され維持されていると期待される。本研究では電磁流体の乱流モデルを理論的に導出し、地球磁場、太陽風などに適用して考察した。特にクロスヘリシティーと残留エネルギーの乱流モデルを導き、太陽風乱流の発達の説明を試みた。また、乱流起電力のモデルの改良を行い、ダイナモ項の一つであるポンプ効果について考察し、残留エネルギーとの関係を示した。さらに電磁流体乱流の直接数値計算やLESを行い、ダイナモ機構の理解を深め、RANSモデルの検証を進めている。

  • N. Yokoi, "Unappreciated cross-helicity effects in plasma physics: anti-diffusion effects in dynamo and momentum transport," Reviews of Modern Plasma Physics, Vol. 7, 33 (2023) doi:10.1007/s41614-023-00133-4
  • N. Yokoi, "Non-equilibrium turbulent transport in convective plumes obtained from closure theory," Atmosphere, Vol. 14, 1013 (2023) doi:10.3390/atmos14061013
  • N. Yokoi, Y. Masada, T. Takiwaki, "Modelling stellar convective transport with plumes: I. Non-equilibrium turbulence effect in double-averaging formulation," Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 516, pp. 2718-2735 (2022) doi:10.1093/mnras/stac1181
  • N. Yokoi, "Mass and internal-energy transports in strongly compressible magnetohydrodynamic turbulence," Journal of Plasma Physics, Vol. 84, pp. 775840603 1-30 (2018) DOI:10.1017/S0022377818001228
  • N. Yokoi, "Electromotive force in strongly compressible magnetohydro-dynamic turbulence," Journal of Plasma Physics, Vol. 84, pp. 735840501 1-26 (2018) DOI:10.1017/S0022377818000727
  • N. Yokoi, D. Schmitt, V. Pipin, F. Hamba, "A new simple dynamo model for stellar activity cycle," The Astrophysical Journal, Vol. 824, pp. 67 1-12 (2016) DOI:10.3847/0004-637X/824/2/67
  • N. Yokoi, K. Higashimori, M. Hoshino, "Transport enhancement and suppression in turbulent magnetic reconnection: A self-consistent turbulence model," Physics of Plasmas, Vol. 20, pp. 122310 1-17 (2013) DOI:10.1063/1.4851976
  • N. Yokoi, "Cross helicity and related dynamo," Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics, Vol. 107, pp. 114-184 (2013) DOI:10.1080/03091929.2012.754022
  • N. Yokoi, M. Hoshino, "Flow-turbulence interaction in magnetic reconnection," Physics of Plasmas, Vol. 18, pp. 111208 1-14 (2011) DOI:10.1063/1.3641968
  • N. Yokoi, "Modeling the turbulent cross-helicity evolution: production, dissipation, and transport rates," Journal of Turbulence, Vol. 12, No. 27, pp. 1-33 (2011) DOI:10.1080/14685248.2011.590495
  • F. Hamba, M. Tsuchiya, "Cross-helicity dynamo effect in magnetohydrodynamic turbulent channel flow," Physics of Plasmas, Vol. 17, pp. 012301 1-13 (2010) DOI:10.1063/1.3291062
  • N. Yokoi, R. Rubinstein, A. Yoshizawa, F. Hamba "A turbulence model for magnetohydrodynamic plasmas," Journal of Turbulence, Vol. 9, No. 37, pp. 1-25 (2008) DOI:10.1080/14685240802433057
  • F. Hamba, H. Sato, "Turbulent transport coefficients and residual energy in mean-field dynamo theory," Physics of Plasmas, Vol. 15, pp. 022302 1-22 (2008) DOI:10.1063/1.2839767
  • N. Yokoi, F. Hamba, "An application of the turbulent magnetohydrodynamic residual-energy equation model to the solar wind," Physics of Plasmas, Vol.14, pp.112904 1-16 (2007) DOI:10.1063/1.2792337
  • N. Yokoi, "Modeling of the turbulent magnetohydrodynamic residual-energy equation using a statistical theory," Physics of Plasmas, Vol.13, pp. 062306 1-17 (2006) DOI:10.1063/1.2209232
  • F. Hamba, "Reynolds-averaged turbulence model for magnetohydrodynamic dynamo in a rotating spherical shell," Physics of Plasmas, Vol. 11, pp. 5316-5327 (2004) DOI:10.1063/1.1792285

磁気リコネクション
磁気リコネクションのジェットの電流密度と速度ベクトル

回転球殻
回転球殻の磁場と乱流ヘリシティー


回転・旋回乱流の解析とLESのモデリング

回転系の流れや旋回流は自然現象や工学装置でよく見られる重要な流れ場である。例えば円管内の流れに旋回を加えると中心軸付近で主流分布が凹んだり逆流が生じる、また回転チャネル乱流では絶対渦度がゼロとなる平均速度分布が見られるなど、物理的に興味深い性質を示すがそれらの機構は十分に解明されていない。本研究では回転系の熱対流乱流の数値計算、円管内旋回乱流の理論解析、円管内乱流のLES、回転系の乱流モデルの不変性の考察、回転チャネル流の直接数値計算などを行い、乱流に対する回転効果について考察した。特に乱流ヘリシティーに着目し、回転効果の機構の解明やモデリングに取り組んでいる。また乱流エネルギーの非等方性に着目しLESモデルの改良を行っている。

  • K. Inagaki, H. Kobayashi, "Role of various scale-similarity models in stabilized mixed subgrid-scale model," Physics of Fluids, Vol. 32, pp. 075108 1-18 (2020) doi:10.1063/5.0012559
  • K. Inagaki, F. Hamba, "Energy transport due to pressure diffusion enhanced by helicity and system rotation in inhomogeneous turbulence," Physical Review Fluids, Vol. 3, pp. 124601 1-23 (2018) DOI:10.1103/PhysRevFluids.3.124601
  • K. Inagaki, N. Yokoi, F. Hamba, "Mechanism of mean flow generation in rotating turbulence through inhomogeneous helicity," Physical Review Fluids, Vol. 2, pp. 114605 1-18 (2017) DOI:10.1103/PhysRevFluids.2.114605
  • F. Hamba, "History effect on the Reynolds stress in turbulent swirling flow," Physics of Fluids, Vol. 29, pp. 025103 1-11 (2017) DOI:10.1063/1.4976718
  • N. Yokoi, A. Brandenburg, "Large-scale flow generation by inhomogeneous helicity," Physical Review E, Vol. 93, pp. 033125 1-14 (2016) DOI:10.1103/PhysRevE.93.033125
  • F. Hamba, K. Niimura, Y. Kitagawa, K. Ishii, "Helicity transfer in rotary evaporator flow," Physics of Fluids, Vol. 26, pp. 017101 1-12 (2014) DOI:10.1063/1.4861095
  • S. Koyama, "A one-equation-type subgrid-scale model including no length scale," Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 82, pp. 074403 1-11 (2013) DOI:10.7566/JPSJ.82.074403
  • S. Koyama, "Subgrid-scale model for reducing the anisotropy of turbulent intensity in channel flow," Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 81, pp. 054402 1-7 (2012) DOI:10.1143/JPSJ.81.054402
  • F. Hamba, "The mechanism of zero mean absolute vorticity state in rotating channel flow," Physics of Fluids, Vol.18, pp.125104 1-11 (2006) DOI:10.1063/1.2401632
  • F. Hamba, "Euclidean invariance and weak-equilibrium condition for the algebraic Reynolds stress model," Journal of Fluid Mechanics, Vol. 569, pp. 399-408 (2006) DOI:10.1017/S0022112006003041
  • N. Yokoi. A. Yoshizawa. K. Itoh. S-I. Itoh, "A variational analysis of flow-reversal condition in a turbulent swirling pipe flow using the bulk-helicity concept," Physics of Fluids, Vol. 16, pp. 1186-1202 (2004) DOI:10.1063/1.1649341

回転系乱流拡散
回転系の乱流拡散の運動エネルギーの等値面

回転系熱対流
回転系の熱対流乱流の温度の等値面


統計理論を用いた乱流モデルの基礎研究

一般的な座標変換における流体方程式の物理量の共変性について議論し、レイノルズ応力などの相関量や支配方程式の共変性を考察した。また、2スケール統計理論を流体方程式に直接適用して、エネルギー散逸率の輸送方程式の消散項の解析とモデリングを行った。

  • K. Inagaki, "Scale-similar structures of homogeneous isotropic non-mirror-symmetric turbulence based on the Lagrangian closure theory," Journal of Fluid Mechanics, Vol. 926, A14 1-41 (2021) doi:10.1017/jfm.2021.708
  • K. Inagaki, T. Ariki, F. Hamba, "Higher-order realizable algebraic Reynolds stress modeling based on the square root tensor," Physical Review Fluids, Vol. 4, pp. 114601 1-18 (2019) DOI:10.1103/PhysRevFluids.4.114601
  • F. Hamba, K. Kanamoto, "Analysis of destruction term in transport equation for turbulent energy dissipation rate," Theoretical and Computational Fluid Dynamics, Vol. 33, pp. 181-196 (2019) DOI:10.1007/s00162-019-00490-2
  • T. Ariki, "Covariance of fluid-turbulence theory," Physical Review E, Vol. 91, pp. 053001 (2015) DOI:10.1103/PhysRevE.91.053001

その他

乱流の移流拡散方程式の時間逆方向計算の不安定性を除くためのフィルタリングについて物理的な考察を行い、適切なフィルター幅の式を求めた。

  • F. Hamba, S. Abe, D. Kitazawa, S. Kato, "Filtering for the inverse problem of convection-diffusion equation with a point source," Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 81, pp. 114401 1-8 (2012) DOI:10.1143/JPSJ.81.114401