MSV:Multi-Scaler Viscosity Model of Turbulence

MSV:乱流の多重スケール粘性モデル

Kriventsev, V.

Kriventsev, V.

本研究では、任意形状の壁境界直管流路の完全発達乱流におけるレイノルズ応力を評価できる、多重スケール粘性(MSV)モデルを提案した。"理想的な"流路内部の流れは常に安定すなわち層流であるが、壁の表面粗さなどによる外部擾乱のため乱れが発達している流れを仮定する。実際の流れは、流路の寸法より小さいあらゆるスケールの擾乱により常に影響されていると仮定する。乱れは内部の粘性つまり"乱流"粘性を用いてモデル化できる。MSVモデルの着想は、以下の現象論的規則により表される:軸方向流速の方向が変わることにより乱れを生じるが、その強さは局所乱流レイノルズ数をある限界値以下に維持するレベルである。すると、局所乱流レイノルズ数の二種類の定義が可能である:i) 軸方向流速のあるスケールのひずみとこのスケール長さをそれより小さいスケールに対する層流と乱流粘性の和で割った一般的なスケール長さで割った量の積ii)一様流速プロファイルの全運動エネルギーと摩擦力による仕事の比MSVモデルでは、経験定数は限界レイノルズ数のみであり、それは前者の定義では100程度、後者の定義では約8.33である。MSVモデルを円管や環状管のような直管の完全発達乱流に適用した。MSVにより評価した摩擦係数と速度分布は多くの実験データと良く一致した。MSVモデルは乱流のゼロ次統合モデルと分類される。したがって、単純であり、原子炉燃料集合体などの任意形状管路内部の完全発達乱流の計算に容易に適用できる。本報告書は、MSV乱流モデルの開発状況をまとめたものである。今後さらに検討を重ねた上で、MSVの定式化を完成させる計画である。

Multi-Scale Viscosity (MSV) model is proposed for estimation of the Reynolds stresses in turbulent fully-developed flow in a wall-bounded straight channel of an arbitrary shape. We assume that flow in an "ideal" channel is always stable, i.e.laminar, but turbulence is developing process of external perturbations cased by wall roughness and other factors. We also assume that real flows are always affected by perturbations of any scale lower than the size of the channel. The turbulence can be modeled in form of internal or "turbulent" viscosity increase. The main idea of MSV can be expressed in the following phenomenological rule: A local deformation of axial velocity can generate the turbulence with the intensity that keeps the value of local turbulent Reynolds number below some critical value. Here, local turbulent Reynolds number can be defined in two different ways: (1)as a product of value of axial velocity deformation for a given scale and generic length of this scale divided by accumulated value of laminar and turbulent viscosity of lower scales (2)as a ratio of the difference between total kinetic energy and "flat-profile" kinetic energy to the work of friction forces In MSV, the only empirical parameter is the critical Reynolds number that is estimated to be around 100 in the former case and about 8.33 in the later. MSV model has been applied to the fully-developed turbulent flows in straight channels such as a circular tube and annular channel. Friction factor and velocity profiles predicted with MSV are in a good agreement with numerous experimental data. The MSV model can be classified as "zero-order" integral model of turbulence. Because of simplicity, MSV can be easily implemented for calculation of fuIly-developed turbulent flows in straight channels of arbitrary shapes including fuel assemblies of nuclear reactors. The intent of this report is to summarize the progress made in the development of the model of turbulence. Since the final ...