乱流力学特論

Advanced Turbulence Dynamics

997E451

75ASFDT521

塚原　隆裕

Takahiro TSUKAHARA

2025年度前期

2025年度

①First semester

金曜2限

Friday 2nd Period

創域理工学研究科　機械航空宇宙工学専攻

Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Graduate School of Science and Technology

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

流体システムの評価、開発、基礎研究に必要となる流体現象、特に乱流の基礎的事項を理解し、応用可能な知識を修得する。
Understand the fluid phenomena necessary for the evaluation, development and basic research of fluid systems, especially the fundamental matters of turbulent flow, and acquire applicable knowledge.

流体力学の基礎物理、乱流の基礎的事項・各論・統計理論・熱物質拡散等について学ぶ。
本専攻のディプロマ・ポリシーに定める『(1)機械航空宇宙工学分野に応じた高度な専門知識。』を身に付けるための科目である。
Learn the fundamental physics of fluid dynamics, fundamental matters of turbulent flows, various theories, statistical theory, thermal and mass diffusion and others.
It is a subject to acquire 1(1) "Advanced expertise according to the field of mechanical and aerospace engineering", as specified in the Diploma Policy of this department.

流体システムの評価、開発、基礎研究に必要となる流体現象、特に乱流の基礎的事項について理解し、応用できるようにする。
Understand and apply the fluid phenomena necessary for the evaluation, development and basic research of fluid systems, especially the fundamental matters of turbulent flows.

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

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課題に対する作文　Essay／小テストの実施　Quiz type test／グループワーク　Group work／プレゼンテーション　Presentation／反転授業　Flipped classroom

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週１〜２時間の準備学習・復習が必要
Preparation learning / review is necessary for 1 to 2 hours a week

演習40%，レポート30%，出席30%（講義に参加し，質疑応答・議論に加わること）の割合で評価
Evaluation is carried out at the rate of the exercise 40%, the report 30%, and the attendance 30% (expected to participate in Q&A and discussion)

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

日野幹雄：乱流の科学: 構造と制御，朝倉書店(2020)
日野幹雄：流体力学，朝倉書店(1992)
笠木伸英（編纂）：乱流工学ハンドブック，朝倉書店 (2009)
梶島岳夫：乱流の数値シミュレーション，養賢堂 (1999)
P. A. Davidson，益田重明（訳）：乱流 第2版，森北出版 (2016)
P. Moin and W. H. Ronald Chan: Fundamentals of Turbulent Flows, Cambridge University Press (2024)

第１回：乱流の序論（１）　普遍性と偏在性
第２回：乱流の序論（２）　性質と分類
第３回：乱流の序論（３）　完結問題，研究小史
第４回：乱流の記述（１）　基礎方程式，保存則，レイノルズ分解，ファーブル分解
第５回：乱流の記述（２）　統計的記述，レイノルズ平均ナビエ・ストークス式，レイノルズ応力
第６回：乱流の記述（３）　渦度，渦度方程式，渦伸張
第７回：乱流エネルギ（１）　乱流エネルギのエネルギ収支（チャネル乱流）
第８回：乱流エネルギ（２）　スカラ変動の輸送方程式
第９回：スペクトル解析（１）　スケール分離，フーリエ積分
第１０回：スペクトル解析（２）　相関関数，エネルギスペクトル
第１１回：変動スケール　非線形性とエネルギカスケード，コルモゴロフスケール，慣性小領域，テイラーマイクロスケール
第１２回：自由せん断流　自己相似性，エントレインメント，流れ構造
第１３回：壁乱流（１）　運動方程式（チャネル乱流），壁指標，平均速度分布
第１４回：壁乱流（２）　混合長モデル，壁近傍の準秩序構造，亜臨界遷移
第１５回：総括，理解度到達度評価

1. Overview of turbulent flows: Ubiquitous nature of turbulence
2. Overview of turbulent flows: Characteristics and classification
3. Overview of turbulent flows: Closure problem and brief history of research
4. Description of turbulence: Governing equations, conservation laws, Reynolds decomposition, and Favre decomposition
5. Description of turbulence: Statistical description of turbulence, Reynolds-averaged Navier-Stokes equation, and Reynolds stress
6. Description of turbulence: Vorticity, vorticity equation, and vortex stretching
7. Turbulent kinetic energy: TKE budget in turbulent channel flow
8. Turbulent kinetic energy: Governing equaiton for the scalar fluctuations
9. Spectral description of turbulence: Scale decomposition and Fourier integral
10. Spectral description of turbulence: Correlation functions and energy spectra
11. Scales of turbulent motion: Nonlinearity and the energy cascade, Kolmogorov scale, inertial subrange, and Taylor microscale
12. Free-shear flows: Self similarity, entrainment, and flow structures
13. Turbulence near a wall: Equations of motion for turbulnet channel flow, wall units, and mean velocity profile
14. Turbulence near a wall: Mixing length model, near-wall coherent structures, and subcritical transition
15. Summary, Assessment test

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