壁面乱流特性スケールを反映したLES/RANS
ハイブリッドモデルによる層流・乱流遷移を伴う
物体周り流れの数値解析
九州大学
大学院 工学研究院 航空宇宙工学部門

安倍 賢一
大学院 工学府 航空宇宙工学専攻

林 隼也
2016年4月27日

先駆的科学計算に関するフォーラム2016

1背景 Large eddy simulation (LES) is a useful way to

predict turbulence and turbulent scalar transfer.
 Recent development of computer power allows us

to do LES for several turbulent flows ofengineering interest.
 However, there still remains a serious difficulty in

its application to high Reynolds-number complex
turbulent flows.

2016年4月27日

先駆的科学計算に関するフォーラム2016

2/22典型的な例

2D section

3D configuration

Typical 3D grid distribution

先駆的科学計算に関するフォーラム2016

2016年4月27日

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スパン方向格子解像度不足の影響
High-Re flow aroundairfoil(Away from the wall)
Large scale eddies can beresolved with grid spacing.

y(Close to the wall)
Due to coarse resolution inz-direction, no eddy can beresolved with grid spacing.
(Large No Eddy Simulation)z(Enough resolution in the wall-normal (y) direction)
2016年4月27日

先駆的科学計算に関するフォーラム2016

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格子解像度不足の場合の従来のLESの結果

Nodes:

61 61 61
Domain:6  1.5
Resolution:z   250
Considerable underprediction of wall-shear stress is obtained.
2016年4月27日

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ハイブリッドLES/RANS（HLR）モデル
Governing Equation

LES zone

Transition zone
RANS zonewall
2016年4月27日

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高性能化に向けて解決すべき３つの課題

2016年4月27日

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これまでの主要な成果
 壁近傍の格子解像度不足による予測精度低下の問題を改善するため，LESのSGSモデルにスケール相似則モデル[1]の特徴を反映した非等方効果を導入することにより，従来のモデルより少ない格子点で予測精度の向上を目的とした非等方SGSモデル[2]を開発した（本フォーラム2013）．
 LESにおける付加項の効果により、格子依存性の小さいLESが可能となり，HLRにおけるLESの領域を従来よりも広げることが可能であることを確認し，実用的な計算コストで高レイノルズ数乱流の解析に適用できる可能性を示した（本フォーラム2014） ．
 LESとRANSの接続位置を壁面近傍の乱流現象の特性に基づいて決定する手法を新たに提案した（本フォーラム2015） ．
[1] Bardina,J., Ferziger,J.H, and Reynolds,W.C AIAA paper 80-1357 (1980).
[2] Abe, K. Int. J. Heat Fluid Flow 39, 42–52 ,20132016年4月27日

先駆的科学計算に関するフォーラム20168/22

本研究（今年度）の目的
壁乱流等への非等方SGSモデルの適用では、格子解像度が粗い場合においても予測精度の大幅な向上が確認でき、その有用性が示された。
一方，高Re数の複雑形状物体周りで発生するはく離流れや層流・乱流遷移を伴う流れに対するCFDの信頼性や予測精度に関しては、今なお議論の余地が多分に残されている。

 研究目的開発した非等方SGSモデルを種々のRe数の球周り流れのLESに適用し、この種の流れ場に対する計算コストや、モデルの予測精度への影響について議論する．
（注：今回はLES単独の検討，HLRについては今後の課題）
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2016年4月27日

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計算格子（全体）
No‐slip

outletFree‐slipdInlet
2016年4月27日

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計算格子（球周辺）Grid 1

格子点数（Grid 1
Grid 20~180° ）
41351

2016年4月27日

Grid 2

格子解像度
球表面

第一格子点

0.04d0.001d
0.002d-0.005d 1.0 10 d

Grid 1
Grid 2

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計算条件
レイノルズ数 Re

ケース① Re = 10,000（Grid 1）
ケース② Re = 1,140,000 （Grid 2）

計算コード

FrontFlow/Red(Unstructured grid system, finite volume method)

時間積分法

クランク-ニコルソン法

空間離散スキーム

二次精度中心差分法(95%)+ 一次風上差分法(5%)

乱流モデル

等方SGSモデル（LES without EAT）
非等方SGSモデル（LES with EAT）

2016年4月27日

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主流方向速度分布 & Cp（球表面）①

等方SGSモデル

非等方SGSモデル（LES without EAT）

（LES with EAT）

2016年4月27日

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渦構造の比較①

等方SGSモデル

非等方SGSモデル（LES without EAT）

（LES with EAT）

2016年4月27日

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球表面に沿ったCp & Cf分布①Cp分布
2016年4月27日

Cf分布
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Cdの比較①

実験データ： E. Achenbach. J. Fluid Mech. 54, 565(1972)2016年4月27日

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主流方向速度分布 & Cp（球表面）②

等方SGSモデル

非等方SGSモデル（LES without EAT）

（LES with EAT）

2016年4月27日

先駆的科学計算に関するフォーラム201617/22

渦構造の比較②等方SGSモデル

非等方SGSモデル（LES without EAT）

（LES with EAT）

2016年4月27日

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球表面に沿ったCp & Cf分布②

Cp分布
2016年4月27日

Cf分布
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Cdの比較②

実験データ： E. Achenbach. J. Fluid Mech. 54, 565(1972)2016年4月27日

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結論および課題 亜臨界レイノルズ数域において，低レイノルズ数の場合，SGSモデルの違いによる影響はほとんど見られない．
（ただし，レイノルズ数が増加すると，非等方SGSモデルでより乱れが大きくなる傾向が見られた．）
 超臨界レイノルズ数域では，両SGSモデルとも淀み点付近の早い段階で乱流境界層の様相を呈し，特に摩擦係数の分布について実験結果と異なる傾向が見られた．
 現在の非等方SGSモデルは，特に境界層の層流・乱流遷移に関して解決すべき課題が残されており，この点について今後予測精度向上の検討が必要である．
2016年4月27日

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今年度の主な成果
Osamu URUMA, Hisashi KIHARA and Ken-ichi ABE, Proceedings of ASME-JSME-KSME
Joint Fluids Engineering Conference 2015, Seoul, 2015, p.603 (AJKFluids2015-08219,
Invited Paper presented by K. Abe), Application of a Hybrid LES/RANS Model Using an
Anisotropiy-Resolving SGS Model to Turbulence around an Airfoil.
Yangrong ZHANG, Hisashi KIHARA and Ken-ichi ABE, Proceedings of 8th International
Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, Sarajevo, 2015, Paper No. 2.4,Performance of an Anisotropy-Resolving Subgrid-Scale Model for Predicting Turbulent
Channel Flow with Wall Roughness.
Ken-ichi ABE, Proceedings of the Asian Symposium on Computational Heat Transfer andFluid Flow-2015, Busan, 2015, (Keynote Lecture), Progress of an Anisotropy-Resolving
Subgrid- Scale Model for Predicting Near-Wall Turbulence under Coarse Grid-Resolution
Conditions.
Masataka Takahashi, Hisashi KIHARA and Ken-ichi ABE, Proceedings of the Asian
Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow-2015, Busan, 2015,
ASCHT15-Tue02-012, Performance of an Anisotropy-Resolving Subgrid-Scale Model for
Adverse Pressure-Gradient Boundary-Layer Flow.
2016年4月27日

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