超流動衝撃波管を利用した超流動ヘリウム中の非線形波動と量子相転移現象の研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11305068
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 村上 正秀 筑波大学, 機能工学系, 教授 (40111588)
• Keywords: 衝撃波管 / 超流動ヘリウム / λ相転移 / 固体ヘリウム / 超高レイノルズ数流れ / 圧縮衝撃波 / 熱衝撃波 / 超臨界状態

Research Abstract

1.衝撃波圧縮によってHe IIからHe Iへの非平衡的λ相転移を起こさせ、これを超伝導温度センサによる温度変化と圧力変化の信号として検出することに成功した。そのλ相転移に伴い余分なエントロピー生成があることが検出されたが、それは2流体方程式と量子化渦密度発展方程式に基づく数値シミュレーションからは予見できておらず、今後の課題となった。
2.超高速ビデオによる可視化により、衝撃波圧縮に伴うHe II界面降下速度が測定され、それより衝撃波背後領域の一様流速度が求められた。その値はRankine-Hugoniot式からの予測と良く合っていた。この流速に基づいてレイノルズ数を求めると、そこには超高レイノルズ数流れが実現されていることが分かり、本装置がその領域における実験装置としても利用可能であること、つまり超流動風洞の代替となる可能性が示唆された。
3.高度な衝撃波圧縮により元々の相界面(液面)領域は超臨界状態となるが、この領域には強い温度勾配を持ち、超臨界ヘリウム-He I-He IIへと変化する温度境界層の形成が見られ、そこでの第2音波の形成、量子化渦の発生/発展等についての興味ある現象が見出された。
4.今後の、衝撃波圧縮によるHe IIの固体化実験に向けた耐高圧性/安全性等の向上のための装置改良-衝撃波管管壁の肉厚向上と低圧部の延伸化-が成功裡になされた。その性能試験により、固体化実験に着手できる見通しを得た。
5.本装置の、極低温領域における汎用衝撃波実験装置としての確立が確認された。

Research Products

• [Publications] ヤン・ヒョンソク 他: "気体力学的衝撃波の入射により超流動ヘリウム中に誘起された衝撃波における温度計測実験"低温工学. 36-1. 2-9 (2001)
• [Publications] Toru FURUKAWA et al.: "Measurement of He II Evaporation Induced by Impingement of a Thermal Pulse on a He II-Vapor Interphase"Experiments in Fluids. 30. 181-189 (2001)
• [Publications] 古川徹 他: "He II自由界面からの蒸発現象の実験的研究"ながれ(日本流体力学会誌). 19-4. 247-252 (2000)
• [Publications] 永井大樹 他: "衝撃圧縮による超流動ヘリウムのラムダ相転移"平成11年衝撃波シンポジウム論文集. 477-480 (2000)