LESにおける壁の取扱いおよび複雑流路流れに関する文献調査

Survey and Research of the Latest Works of LES about Models Near Wall Boundary and Applications to Complex Flow Path

堺 紀夫*; 清水 武司*

Sakai, Norio*; Shimizu, Takeshi*

LESコードでは、壁の取扱いおよび壁に囲まれた複雑流路流れへの対応が課題となっていることから、本調査では、最新のLES手法研究における壁近傍の取扱いおよび複雑流路流れに関して文献調査を実施し、研究開発の動向を分析した。国内外の学会、研究会、国際会議、学術誌等の公開文献を対象として過去3ヶ年(20012004年)程度を中心に幅広く文献の調査、収集を実施し、最終的に選定した23件の文献について内容分析を行った。調査文献における壁面の取扱い方を(1)通常のNo-slip条件、(2)代数式型壁面モデル(壁関数)、(3)微分式型壁面モデル、(4)ハイブリッド法、(5)IB法の大きく5つの手法に分類して分析した。このうち通常のNo-slip条件は近年の研究でも頻繁に適用されていた。代数式型壁面モデルでは壁面に垂直な速度成分の効果を考慮したものや、剥離領域に適合する新たなモデルの提案や従来のモデルから壁面せん断応力の求め方を工夫する事例があった。微分式型壁面モデルでは壁面近傍の内層において境界層近似されたNavier-Stokes方程式を解く際に、より高精度に壁面せん断応力を求めるためのモデル係数の動的修正方法や内層における高次の乱流モデルの適用が提案されていた。一方ハイブリッド法ではLESとRANSの界面において速度分布や渦粘性係数の不連続性を解消するための手法の検討事例が多くみられた。また、直交格子を曲線境界面に適用する方法としてはIB法の適用が期待されており、その際の圧力解法の工夫や数値的な修正方法などが検討されていた。 調査文献の範囲ではハイブリッド法の研究が多く、界面の取扱い方法などに対し標準的な手法が確立されれば将来的に大規模複雑体系に主として用いられる可能性は高いと思われる。

Since treatments for wall boundaries and flows around complex paths are issues in LES modeling, a literature research on the LES methods for wall boundaries and applications to flows at complex paths was conducted to investigate the latest trend. Publications of domestic or international societies, workshops, symposiums, and journals about for past 3 years (2001-2004) were searched and collected, from which 23 research papers were selected and investigated.For the investigation, the treatments for wall boundaries used in the literature were classified roughly into five methods, i.e. (1) no-slip condition, (2) algebraic wall model (wall function), (3) wall model based on boundary-layer approximations (differential equation wall model), (4) hybrid method, (5) immersed boundary method. No-slip conditions were widely applied in recent works. For algebraic wall models, new wall functions that considered the effect of the velocity component vertical to a wall or circulation regions were examined. There were also some researches that devised the process of calculating the wall-shear stress with a conventional wall function. The researches using differential equation wall models presented the dynamic modification of model coefficients, or the application of high-order turbulence model such as the k-e model to the solution of Navier-Stokes equation in the boundary layer. The researches of hybrid methods focused on the discontinuity of velocity and eddy viscosity at the LES/RANS interface. Several researches that adopted immersed boundary methods for Cartesian grids with curved wall boundaries introduced the investigation of the Poisson solvers and the numerical modification of pressure boundary conditions. Many of investigated researches used hybrid methods. Thus, it is expected that they will be mainly applied to large-scale and complex simulations if the standard treatment for the discontinuity at the interface is developed.