温度成層下の乱流境界層における秩序構造とその空間分布の解明

Research Project

Project/Area Number	22K03462
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
Research Institution	Japan, Meteorological Research Institute
Principal Investigator	水野吉規気象庁気象研究所, 気象予報研究部, 主任研究官 (70402542)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	横山直人東京電機大学, 工学部, 教授 (80512730)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000) Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Keywords	乱流境界層 / 温度成層 / 乱流輸送
Outline of Research at the Start	統計的に一様な乱流場においても乱流の特徴的長さスケールと同程度の解像度で見ると，乱れの活発な領域は空間的に局在する．そこではせん断や成層による流れの不安定性に起因する秩序的振る舞いが見られ，それらが乱流の特徴である運動量や熱などの輸送を駆動する．本研究では，乱流の局在性という性質もまた壁面近傍の乱流が有する普遍的特徴として位置づけ，風洞実験と直接数値計算により，温度成層下の乱流境界層におけるその定性的および定量的性質を明らかにすることを目的とする．
Outline of Annual Research Achievements	本研究計画では風洞実験と直接数値シミュレーションの２つのアプローチにより、温度成層下の乱流境界層に内在する、運動量や熱の輸送を担う秩序的な乱流構造の多面的な理解を目標としている。各アプローチの役割として、実験ではそのような乱流構造の集団としての乱流場の大域的な性質を、数値シミュレーションでは個々の乱流構造のダイナミクスを明らかにすること目指す。計画の初年度では、研究手法の検討と確立を目的とした予備的な実験や数値シミュレーションを実施し、2年目となる令和5年度には、当初の計画に沿って実験及び数値シミュレーションを実施した。気象研における大型風洞施設では、ステレオPIVにより中立成層および不安定成層を伴う乱流境界層における水平面上3成分の風速場を取得した。温度成層における浮力の効果が強くなると流れ方向に伸びたロール状の渦構造に伴って、鉛直方向の運動量フラックスの空間分布もまた流れ方向に沿って長いスケールを持つことが新たにわかった。従来考えられている鉛直輸送のための乱流モデルでは、輸送を担う乱流のスケールはその高さ程度で与えられると仮定しているが、ここで得られた結果は、この仮定が不安定成層下では成り立たずモデルの修正が必要であることを示唆している。また、安定成層下の一様せん断成層乱流の直接数値シミュレーションにより、波数空間における運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギーの収支や、運動量および熱フラックスなどの実空間における場の振る舞いを直接調べることで乱流の生成から消滅までのダイナミクスの詳細を明らかにした。現在は、特に安定成層の役割を明らかにするための解析を進めており、先行的な成果は今夏に開催される国際会議において発表される予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 数値シミュレーションについては、当初の予定通りに安定成層下の一様せん断成層乱流の本計算を九州大学情報基盤研究開発センターにおいて実施し、解析を順調に進めているところである。気象研究所における風洞実験については、不安定成層下の乱流境界層については冬季に予定通りに行うことができ、ステレオPIVによる風速場データの取得と解析を実施した。しかしながら、風洞の改修工事と重なり夏季に行う予定であった安定成層の場合の実験を行うことができなかったため、データの取得および解析が進んでいない。このような状況から、進捗はわずかに遅れていると判断した。
Strategy for Future Research Activity	風洞実験についてはまず、令和5年度に行うことのできなかった実験を行い研究の遅れを取り戻す。夏季に安定成層下の乱流境界層の実験を実施し、ステレオPIVなどによる速度場の大域的かつ多次元的な情報の取得と解析を進める。また、これまでに取得した不安定成層下の風速場データの解析を進めて、乱れの大規模構造と運動量輸送の空間分布の関係を明らかにし、新たな乱流モデルの構築に有用な知見の整理を行う。必要に応じて、追実験により熱の鉛直方向フラックスの取得も行う。数値シミュレーションによる安定成層下の一様せん断成層乱流の素過程の解析も引き続き進め、風洞実験データによる大域的な情報と合わせて、乱流の全体像を構築する。また、不安定成層の場合のシミュレーションも実施し、風洞実験データで得られたロール状の渦構造による運動量や熱などの輸送の解析を進める。