斋藤泉助理教授研究小组的研究成果为阐明多相流中的湍流调制提供了线索。

〇研究员网站

〇被引论文
・我。 Saito, T Watanabe 和 T Gotoh，“粒子湍流调制的新时间尺度”，流体力学杂志，880，R6，2019，DOI：101017/jfm2019775

〇研究成果网站
　

〇研究内容

●摘要
　流体科学实验室物理工程、应用物理系助理教授 Izumi Saito（全球区域）、Takeshi Watanabe 教授和 Toshiyuki Goto 教授领导的研究小组发现了一个表征多相流湍流调制的新参数，并通过理论分析和大规模数值模拟证明该参数可以预测湍流调制。这个结果是10月9流体力学权威期刊流体力学杂志,JFM 急流11月5截至目前已在杂志中出现30当天阅读最多的论文列表4

　该成果得到了文部科学省和日本学术振兴会的科学研究补助金（15H02218、18K03925、18K13611)，创新的高性能计算基础设施(HPCI、hp180070、hp190043)，跨学科大规模信息基础设施联合使用及联合研究中心项目(JHPCN、jh180009、jh190018)，在日本海洋地球科学技术机构的支持下获得。

●背景
　我们周围的流动通常含有许多微观颗粒。火山喷发引起的尘埃颗粒的飞散、云中雨滴的生长、汽车发动机中液体燃料的燃烧以及杀虫剂的喷洒只是其中的几个例子。含有如此大量微粒的流称为多相流（图1）。由于多相流在各种情况下发挥着重要作用，包括环境问题和工程应用，因此需要开发能够准确预测其行为的建模和仿真技术。

图 1：各种多相流的照片。 (维基百科)
　　　　　　　　火山喷发导致矿物粉尘扩散，
（右上）云中的雨滴，（左下）喷洒农药，
（右下）液体燃料在发动机中的燃烧。

　多相流的难点之一是流动与微粒的相互影响。首先，微粒在被输送到水流中时会改变其分布。由于流动通常是高度湍流（称为湍流），因此颗粒分布变得非常复杂（图 2）。另一方面，微粒也会改变周围的流动。例如，摩擦阻力会导致颗粒拖动周围的流，从而改变流的速度。此外，当雨滴凝结和蒸发时，它们会改变周围的湿度。流动和小颗粒之间的这种复杂的相互作用使得理解多相流变得困难。

图 2：微粒分布如何因湍流而变化。
　　　　　　　　　　　　　　如果有强烈的涡流，颗粒是由离心力引起的从漩涡中心喷射出来。
这会在微粒分布中产生阴影。

〇研究成果

　这项研究的重点是发现了一个通过摩擦阻力来评估微粒对湍流影响的新参数。如果我们能够预测流中存在多少粒子、粒子有多大等因素对流的影响程度，这将是阐明相互作用的重要一步。

　这次发现的参数被称为“达姆克拉数”。达姆克勒数是最初用于化学领域的一个参数，用于表达化学反应如何发生的特征。之所以如此命名，是因为在小颗粒和流动之间的相互作用中发现了类似的特征。我们小组对云中雨滴生长的研究为这一发现提供了重要提示。
　（图3）是一个数值模拟，用于确认由于一组微粒对流动产生的摩擦阻力的影响，湍流的强度发生了多大的变化。横轴是本研究中引入的 Damkera 数，可以看到所有计算结果都集中在一条曲线上。这表明湍流强度的变化可以作为 Damkera 数的函数来预测，并且 Damkera 数是一个重要参数。

图 3： 本研究的模拟结果示例。 (论文摘录）
　　　　乱流変调（道具群の影响による乱流强度の変化、縦轴）が、
显示使用 Damkera 数（横轴）可以预测什么的示例。
　　　　　　　他のパラメータによらず、全ての结果が一つの曲线の上に集まる。

〇未来发展
　小颗粒湍流调制问题是多相流研究中长期未解决的问题之一。尽管这一结果通过发现达姆克拉数证明了湍流调制的可预测性，但仍有许多问题有待解决。例如，在本研究中，所有颗粒都被假设为球形，但在实际流动中存在许多非球形颗粒的例子。矿尘和雪花是典型的例子。需要进一步研究此类非球形颗粒的影响。