京大 数理解析研究所 RIMS共同研究 (公開型)

「乱流の素過程」

研究会代表者： 松本剛、藤定義

形式：対面と Zoom によるハイブリッド開催

会場：京大 数理解析研究所 111号室

プログラム

7月19日 (水)

7月20日 (木)

7月21日 (金)

アブストラクト

Ayapilla Aditya Sai Pranith* (Institute of Fluid Science, Tohoku University), Yuji Hattori (Institute of Fluid Science, Tohoku University)
Subgrid Modeling Using Appropriately Designed Data-Driven Frameworks in LES of Two-Dimensional Turbulence

In this talk, we shall briefly explore the contemporary research on the application of data-driven subgrid modelling in large eddy simulations (LES) of homogeneous isotropic turbulence. Particularly, work on two-dimensional turbulence has been scarce and thus, we will be looking at an in-house designed framework that uses artificial neural networks (ANNs) to model subgrid effects in a forced, non-equilibrium two-dimensional turbulence setting. The framework was developed considering the enstrophy cascade, associated with two-dimensional turbulence. Results showed that carefully designed data-driven subgrid models can be more generalizable than conventional functional subgrid models and be less black box-like, allowing for a rigorous physical analysis and model improvement.

Golsa Tabe Jamaat* (東北大）, 服部裕司 (東北大）
Wall modeling in LES using a nonlocal data-driven approach

The convolutional neural network is implemented to establish a wall model for the large eddy simulation (LES) of turbulent channel flow. Initially, a study is performed on the hyperparameters of CNN. Then, the model is tested in the a priori test and its performance is compared with the existing model. After that, a posteriori test is carried out and the performance of the model is checked in an actual simulation.

萩森祐介(岡大環)、小布施祈織*(岡大環)、山田道夫(京大数理研)
回転球面上ロスビー波乱流におけるロスビー波非線形相互作用について

回転球面上2次元乱流では、東西方向にのびる大規模帯状構造が形成される。この大規模構造形成に、回転系に特有なロスビー波解の非線形相互作用がどうかかわっているのかについて発表する。

半場藤弘(東大生研)
乱流の非局所渦拡散率の解析とモデリング

一様等方乱流の速度場と非一様スカラー場の直接数値計算を行い、乱流スカラーフラックスの空間的時間的に非局所な渦拡散率を解析した。局所モデルの結果と比較するとともに、スカラー輸送に対する非局所効果を考察した。さらに乱流統計理論を参考にして、非局所渦拡散率のモデル化を行った。その際、エネルギースペクトルの代わりにスケール空間のエネルギー密度を用いることを試みた。特に非局所渦拡散率の時間差依存性に着目して検証した。

板野智昭*(関大シス理)、吉川和希(関大シス理)、中川和幸（関大シス理）、荒井一心(関大シス理)、榊原和樹(関大シス理)、関眞佐子(関大シス理・阪大基礎工)
アスペクト比の大きな同心球面間剪断流における流れの可視化と数値計算

球半径比$\eta=1/2$の同心球面剪断流において、基本状態から分岐するスパイラル状態の可視化実験を行い、輝度の周期的変化から状態の回転角速度を導き出した。数値計算から求めた流れとの比較についても言及する。

勝見大学*(東京電機大工)、犬伏正信(東京理科大理)、横山直人(東京電機大工)
2次元熱対流中の角運動量時系列の予測

2次元熱対流の大規模循環は間欠的に回転方向が反転することが知られている．この反転を予測するために機械学習の1つであるリザバーコンピューティングを用いた．左右壁面上の剪断速度と温度のスパースな時系列を入力データとし，角運動量の時系列を予測した．流れ場が持つ反転を特徴づける時空間パターンとそれらを用いた予測性能の向上について議論する．

木村芳文 (名古屋大学大学院多元数理科学研究科)
乱流の素過程としての渦リコネクション [招待講演]

流体方程式の適切性/特異性の問題に関連して渦リコネクションの研究が注目されています。本講演では最近の渦リコネクションについての研究成果についてご紹介するとともに 高レイノルズ数乱流のエネルギー散逸のメカニズムとしての渦リコネクションについて考察したいと思います。

三浦英昭*(核融合研）, 後藤俊幸（名工大）
磁気プラントル数がHall MHD乱流に与える影響

磁気プラントル数がHall MHD乱流のスペクトルや時空間構造に与える影響を、一様等方性乱流シミュレーションで調べる。磁気プラントル数による運動エネルギーおよび磁気エネルギースペクトルの変化を調べると、運動エネルギースペクトルに$k^{-17/3}$の新しいべき乗則がでる。本講演では、この研究の進展と、特に高波数成分における波動が時空間構造に与える影響について報告する。

毛利英明 (気象研究所)
大気境界層乱流の研究：今後の展望 [招待講演]

大気境界層乱流は、壁乱流の典型例であると同時に、惑星大気と惑星表面とのインターフェースとしても重要であり、今後も活発な研究が望まれている。本講演では、気象研究所における最近の研究、とくにグレーゾーン問題や地表面フラックス問題に関する研究、を紹介するとともに、今後の研究の方向性を議論したい。

大木谷耕司(京大数理研)
乱流素過程としてのNavier-Stokes方程式の自己相似解

動的スケール変換された 3次元Navier-Stokes方程式を考察する。種々の従属変数に対して、その線形化された解の関数形が陽に得られている。[Ohkitani & Vanon, Proc. Roy. Soc. A 478.2258 (2022): 20210527.]

非線形定常解が、線型化解の近傍に存在することは既知であるが、その具体的な関数形は殆ど分かっていなかった。ここでは、非線型定常解を数値的に決定することができたので報告する。また、その乱流素過程としての意味について議論する。

齋藤泉*(名工大)、後藤俊幸(名工大), 渡邊威(名工大)
粒子法を用いた高シュミット数スカラー乱流の大規模直接数値シミュレーション

乱流中の微小粒子群の輸送・混合による高シュミット数スカラー乱流のための、ラグランジュ描像に基づくシミュレーション手法を用いて、大規模シミュレーションを実施した結果について報告する。格子点数は最大2048の3乗、テイラー長レイノルズ数は約550を実現し、スカラー分散スペクトルにおいて、高波数領域の傾き-1および低波数領域の傾き-5/3を同時に再現し、乱流理論の予言との整合性を調べた。またスカラー分散スペクトルに対する粒子の運動量慣性の影響についても報告する。

Thibault Maurel-Oujia* (I2M, Aix-Marseille University / JAMSTEC), Keigo Matsuda (JAMSTEC) and Kai Schneider (I2M, Aix-Marseille University)
A tessellation-based approach to analyze elementary processes of inertial particles in turbulence

We introduce a tessellation-based method that allows computation of divergence, curl, and the velocity gradient tensor of the particle velocity [1]. This method uses a modified Voronoi tessellation for assessing volume dynamics in three-dimensional moving particle clouds, utilizing the center of gravity of the Delaunay cell instead of the circumcenter. Applying this novel approach to the study of both fluid and inertial particles in fully developed three-dimensional isotropic turbulence [2], we explore the divergence and convergence behavior of particle motion. This method, demonstrating first-order convergence in space and time, facilitates improved understanding of inertial particle clustering in complex turbulent dynamics.

[1] T. Maurel–Oujia, K. Matsuda, and K. Schneider, “Computing differential operators of the particle velocity in moving particle clouds using tessellations,” arXiv:2212.03580, 2023.

[2] T. Oujia, K. Matsuda, and K. Schneider, “Divergence and convergence of inertial particles in high-Reynolds-number turbulence,” Journal of Fluid Mechanics, vol. 905, 2020.

藤定義 (京都大学理学研究科)
亜臨界流れにおける発達した乱流の奇妙な振る舞い [招待講演]

亜臨界流れでの乱流遷移は、レイノルズの取り組み以来積年の課題であったが、近年非平衡相転移の１つである有向パーコレーションとして記述できると考えられている。有向パーコレーションでは、吸引領域と活性化領域が共存するが、乱流遷移の場合、層流状態と乱流域が対応しており、乱流領域は単独で寿命を持つ一方、分裂生成も行う。この臨界近傍での乱流域の特性は、レイノルズ数が臨界値より十分大きくなった場合に、亜臨界性の影響を受けるか否かは興味深い。本講演では、有向パーコレーション遷移を起こす、亜臨界2次元コルモゴロフ流を用いて高レイノルズでの、発達した乱流の振る舞いを紹介する。ここでは、エネルギースペクトルに慣性領域を持つ乱流を発達した乱流と呼ぶ。発達した乱流は巨視的には局在した渦対であり、小スケールでのエネルギー生成過程を介して自己推進し複雑な軌跡を描く。大スケールでの散逸（ドラッグ）に臨界があり、臨界以下では局在乱流は減衰し層流化するが、臨界値を超えると全領域が乱流化する。この発達した乱流の特性と従来の慣性領域の独立性との関係についても検討する。

辻義之 (名古屋大学工学研究科)
古典乱流と量子乱流における渦構造の観測とその比較 [招待講演]

水や空気の流れ（古典乱流）には、微細な渦構造が空間内に間欠的に分布しており、エネルギー散逸や渦度が集中している。そのような渦構造を実験的に観測した例を紹介しする。また、極低温のHe(量子乱流)中に観測される渦構造との比較をおこない、その特性について報告したい。

松本剛 takeshi あっと kyoryu.scphys.kyoto-u.ac.jp