• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

Temporal and spatial fluctuations of energy transfer and two-dimensional structures spontaneously appearing in three-dimensional turbulence

Research Project

Project/Area Number 19K03677
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
Research InstitutionDoshisha University

Principal Investigator

Takaoka Masanori  同志社大学, 理工学部, 教授 (20236186)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 佐々木 英一  秋田大学, 理工学研究科, 助教 (60710811)
横山 直人  東京電機大学, 工学部, 教授 (80512730)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords局所フラックスベクトル / 異種共存乱流 / カスケード / 臨界平衡 / 波動乱流 / 回転乱流 / 成層乱流 / Charney-Hasegawa-Mima乱流 / 自己組織構造 / 縞状構造(帯状流) / エネルギー伝達 / 保存量 / 波数空間 / 非等方性 / 局所フラックス / 非等方乱流 / 波動乱流と渦乱流の共存 / 流体乱流 / エネルギーフラックス / 2次元乱流 / 乱流 / 不安定周期軌道
Outline of Research at the Start

乱流は日常生活の至る所で経験する渦や波の複雑な運動で、発達した乱流中でも様々なスケールの自己組織構造が現れる。また、乱流中には不安定であるが周期解があり数値的に求められている。本研究では、3方向に一様な系として回転乱流や成層乱流を、壁があるが2方向に一様な系としてチャネル乱流や球殻内Couette乱流を調べる。実空間における渦や波の動力学とスケール間のエネルギーの流れの関係を調べることで、エネルギー流束に対する自己組織構造の影響の普遍的な機構を考える。また、不安定な周期解と自己組織構造との関係やその不安定モードを調べることで、乱流アトラクターの複雑な「ひだ」に関する知見が得られると考えている。

Outline of Final Research Achievements

Small-scale homogeneous isotropic turbulence, large-scale anisotropic structures and wave turbulence coexist in general. Various types of heterogeneous coexistence turbulence are investigated to clarify the relationship between the driving mechanism of structures in real space and the cascades of invariants in wavenumber space.
The transition of 2-dimensional structures appearing in the equatorial and polar regions has been clarified for spherical Couette turbulence. An index to identify the boundary wavenumber among turbulences with different properties has been proposed for 3-dimensional stratified turbulence.
Local-flux vectors to quantitatively investigate anisotropic cascades have been proposed and applied to the energy cascades in 3-dimensional rotating turbulence. The relationship between the anisotropy of the inverse cascades of energy and zonostrophy and the spontaneously appearing zonal flows in the triple cascade has also been clarified in Charney-Hasegawa-Mima turbulence.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

カスケード理論は一様等方乱流の統計理論の根幹をなし、弱乱流理論は波動乱流の根幹をなすが、回転や成層の効果があると、大スケールに2次元的構造が現れる波動乱流と、小スケールに渦管が現れる一様等方乱流とが共存する。このような異種共存乱流を統一的に理解する理論も評価する定量的手法も無かった。
研究成果の一つである局所フラックスベクトルは、異種乱流の時間スケールが同程度となる領域に沿ってエネルギーがカスケードされるという臨界平衡の予想を初めて定量的に確認したのみならず、エネルギー以外の保存量に対しても波数空間におけるカスケードの非等方化と実空間における大規模構造の生成維持との関係を調べることを可能にした。

Report

(5 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (30 results)

All 2023 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (6 results) (of which Open Access: 4 results,  Peer Reviewed: 3 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] β平面乱流における大規模構造と局所フラックスベクトル2023

    • Author(s)
      高岡正憲、横山直人、佐々木英一
    • Journal Title

      プラズマ・核融合学会誌

      Volume: 99(5) Pages: 202-206

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Driving Mechanism of Zonal Flows and Local Fluxes of Conserved Quantities in Quasi-Geostrophic Turbulence2022

    • Author(s)
      高岡正憲
    • Journal Title

      同志社大学エネルギー変換研究センター成果報告書

      Volume: -

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Local-flux vectors of conserved quantities in wavenumber space: Anisotropic structures in Charney-Hasegawa-Mima turbulence2022

    • Author(s)
      Takaoka Masanori、Yokoyama Naoto、Sasaki Eiichi
    • Journal Title

      Physical Review Fluids

      Volume: 7 Issue: 1

    • DOI

      10.1103/physrevfluids.7.l012601

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Local fluxes of conserved quantities in the wavenumber space: application to two- and three-dimensional rotating turbulence2021

    • Author(s)
      Masanori TAKAOKA
    • Journal Title

      エネルギー変換研究センター, 2020 年度成果報告

      Volume: - Pages: 369-374

    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Journal Article] Energy-flux vector in anisotropic turbulence: application to rotating turbulence2020

    • Author(s)
      Yokoyama Naoto、Takaoka Masanori
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: 908

    • DOI

      10.1017/jfm.2020.860

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Energy-based analysis and anisotropic spectral distribution of internal gravity waves in strongly stratified turbulence2019

    • Author(s)
      Yokoyama Naoto、Takaoka Masanori
    • Journal Title

      Physical Review Fluids

      Volume: 4 Issue: 10 Pages: 104602-104602

    • DOI

      10.1103/physrevfluids.4.104602

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Zonal flows driven by energy and zonostrophy conservations in Charney-Hasegawa-Mima turbulence2022

    • Author(s)
      M.Takaoka, N.Yokoyama, E.Sasaki
    • Organizer
      APS DFD 2022 75th Annual Meeting, Indiana, USA
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ベータ平面乱流における局在スペクトルの時間発展と保存量の波数空間輸送2022

    • Author(s)
      高岡正憲,横山直人,佐々木英一
    • Organizer
      日本流体力学会年会2022、京都、日本
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Local Fluxes of Conserved Quantities Started from Localized Initial Spectra in Charney-Hasegawa-Mima Turbulence2022

    • Author(s)
      M. Takaoka, N. Yokoyama, E. Sasaki
    • Organizer
      14th European Fluid Mechanics Conference, Athens, Greece
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 準地衡乱流における保存量の局所フラックスと帯状流の生成維持機構2022

    • Author(s)
      高岡正憲
    • Organizer
      同志社大学エネルギー変換研究センター研究成果報告会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 波数空間で局在した初期条件を用いた保存量の流れの同定2022

    • Author(s)
      高岡正憲, 横山直人, 佐々木英一
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 波動乱流の共鳴相互作用と非共鳴相互作用2022

    • Author(s)
      横山直人
    • Organizer
      海洋波および大気海洋相互作用に関するワークショップ
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Comparison between time-evolution of centroids and local-flux vectors for localized initial conditions in wavenumber space2021

    • Author(s)
      M. TAKAOKA, N. YOKOYAMA, E. SASAKI
    • Organizer
      74th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 回転球殻Couette 乱流の大規模構造と動力学2021

    • Author(s)
      佐々木英一, 高岡正憲
    • Organizer
      日本機械学会第99 期流体工学部門講演
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 2 次元および3 次元の回転乱流における保存量の波数空間局所流れ2021

    • Author(s)
      高岡正憲
    • Organizer
      エネルギー変換研究センター研究成果報告会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 強回転乱流の局所非等方エネルギーフラックス2021

    • Author(s)
      横山直人
    • Organizer
      日本流体力学会年会2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 波数空間における局所フラックスベクトルと" 重心" の時間発展の比較2021

    • Author(s)
      高岡正憲, 横山直人, 佐々木英一
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Energy-flux Vectors of Inertial Waves in Strongly Rotating Turbulence2021

    • Author(s)
      N. Yokoyama, M. Takaoka
    • Organizer
      25th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 2次元および3次元の非等方乱流における保存量の波数空間局所流れ2021

    • Author(s)
      高岡正憲
    • Organizer
      RIMS共同研究
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] CHM乱流におけるトリプルカスケードのフラックスベクトル場2021

    • Author(s)
      高岡正憲、横山直人、佐々木英一
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 回転球殻Couette流の遷移2020

    • Author(s)
      佐々木英一、高岡正憲
    • Organizer
      日本流体力学会年会2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 2次元乱流におけるエネルギーフラックスに対する粘性項の影響2020

    • Author(s)
      高岡正憲、横山直人、佐々木英一
    • Organizer
      日本流体力学会年会2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 2次元回転乱流におけるエネルギーの流れ2020

    • Author(s)
      高岡正憲、 横山直人、 佐々木英一
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 回転乱流におけるエネルギー輸送と等方化機構2020

    • Author(s)
      横山直人、 高岡正憲
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Energy flux vectors in two-dimensional anisotropic turbulence2019

    • Author(s)
      M. Takaoka, N. Yokoyama, E. Sasaki
    • Organizer
      72nd Annual Meeting of the American Physical Society's Division of Fluid Dynamics
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Energy Fluxes in Anisotropic Turbulence2019

    • Author(s)
      N. Yokoyama, M. Takaoka
    • Organizer
      3rd Asia Pacific Conference on Plasma Physics
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 一般化逆行列を用いた回転乱流におけるエネルギーフラックス方向の同定法2019

    • Author(s)
      横山直人、 高岡正憲
    • Organizer
      日本流体力学会年会2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 2次元非等方乱流におけるエネルギーフラックス場2019

    • Author(s)
      高岡正憲、 横山直人、 佐々木英一
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Energy flux in anisotropic turbulence2019

    • Author(s)
      N. Yokoyama, M. Takaoka
    • Organizer
      17th European Turbulence Conference
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Energy flux vector in a shell model of 2D rotating turbulence2019

    • Author(s)
      M. Takaoka, N. Yokoyama, E. Sasaki
    • Organizer
      17th European Turbulence Conference
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2024-01-30  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi