極端に強い安定成層下での乱流の極限現象に関する研究

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09490029
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 植田 洋匡 京都大学, 防災研究所, 教授 (70026186)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 堀口 光章 京都大学, 防災研究所, 助手 (60190253) ; 石川 裕彦 京都大学, 防災研究所, 助教授 (60263159) ; 花崎 秀史 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (60189579) ; 烏谷 隆 九州大学, 応用力学研究所, 助手 (30150527) ; 辰野 正和 九州大学, 応用力学研究所, 助教授 (70038553)
• Keywords: 密度成層 / 乱流構造 / 乱流拡散 / 逆勾配拡散 / 乱流渦 / 内部重力波 / 気液界面 / レーザー蛍光法

Research Abstract

極端に強い密度成層状態では,浮力による乱流渦運動の変化を通して,乱流拡散や混合機構が大きく変化する。浮カ効果によって現れる極限現象としては,運動量とスカラー量の拡散能の減少,極限状態での逆勾配拡散の発生,気液界面での乱流拡散の消滅がある。これらの現象では,いずれも乱流運動が波状運動へ変化していく機構が本質的な役割を担っていると考えられる。本研究では,安定成層流中の乱流と波の統一的な理論の構築を目指し,強安定成層中に存在する乱流運動と波状運動の特性と乱流がら内部波への遷移過程を実験的・理論的に調べて,これらの極限現象を統一的に説明することを目的とした。
実験
本年度は,密度勾配一定の静止塩水流体層中で,水平に設置した乱流発生格子を鉛直上方(下方)に移動させたとき,等方性乱流が減衰しながら波状運動に変化する過程を追跡した。速度変動,密度変動場の詳細な情報を得るために,PIV(Particle Image Velocimeter),レーザー蛍光法を用いて,面的測定(各瞬間の断面内分布の測定)を行った。測定データから変動場に含まれる乱流と波動を分離し,乱流,波動成分の個々の特性の詳細を調べた。
線形理論および弱非線形理論
剪断のない場合,強い安定成層場での逆勾配拡散は線形理論でかなりよく説明できる(Hanazaki & Hunt 1996: J.Fluid Mech.Vol.318,303-337)。本年度は,この線形理論を剪断のある場合に展開して,まず解析解を得ることに成功し,さらにこの解を用いて種々の極限現象の説明を試みた。

Research Products

• [Publications] Ueda,H: "Photochemical formation and stratospheric intrusion in tropospheric oxidants budget in East Asia" Proc.of Workshop on Transport of Air pollutants in Asia, Laxenburg(IIASA),Austria,27-29 July. 131-140 (1998)
• [Publications] Sha W.: "An accurate second-order approximation factorization method for time-dependent imcompressible Navier-Stokes equation in spherical polar cordinates" J.Compt.Physics. Vil.142. 47-66 (1998)
• [Publications] Sha W.: "Numerical study on flow pass of a three-dimensional obstacle under a strong statification condition" J.Appl.Meteorol. Vol.37,No.10. 1047-1054 (1998)
• [Publications] 薩摩林光: "中部山岳地域における二次粒子の挙動" 大気汚染学会誌. Vol.33,No.5. 284-296 (1998)