成層せん断乱流中の熱・パッシブスカラー輸送メカニズムの解明とその制御手法の開発

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11650201
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 花崎 秀史 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (60189579)
• Keywords: 成層流 / 乱流 / 熱輸送 / スカラー輸送 / RDT理論 / 数値シミュレーション / 逆勾配拡散 / せん断流れ

Research Abstract

成層せん断乱流に対して、RDTによる理論解を求め、逆勾配拡散など、熱の鉛直輸送に与えるシアーの影響を調べた。得られた理論解に対する解析的な短時間近似、及び、任意の時刻における数値的な評価により、エネルギースペクトル、温度スペクトルの波数依存性が、逆勾配拡散などの鉛直熱フラックスに与える効果を明らかにした。また、成層せん断乱には2つの時間スケールがあることに注目し、シアーの逆数で決まる時間スケールと、浮力振動数の逆数で決まる時間の効果が、どのような形で競合するのかを明らかにした。シアーのない場合(これまでの成果)との比較を行い、例えば、シアーがある場合でも、初期条件における運動エネルギーと位置エネルギーの比が、その後の両者の分配を決定することを明らかにした。その結果は、乱流フルード数が小さい(成層が強い)場合には、直接数値シミュレーション(DNS)と定量的に良く一致した。例えば、「持続的な」逆勾配熱輸送など、シアーの特徴的な効果が線形のメカニズムによって理解されることがわかった。また、成層せん断乱流中のパッシブスカラーの輸送のメカニズムのRDTによる解明については、パッシブスカラーのスペクトル分布が、パッシブスカラーの鉛直輸送(逆勾配拡散など)に与える影響を明らかにした。
直接数値シミュレーション(DNS)においては、境界にfree-slip面がある場合について、強い安定成層が乱流に与える効果、特に、これまでチャネルでの成層乱流で研究があまり行われていない、鉛直方向の熱・スカラー輸送の「非定常性・時間変動」に与える影響を明らかにした。この問題は、海面フラックス(大気-海洋間相互作用)の問題とも密接に関係している。本研究では、自由表面、気体と液体の密度差、という通常の壁乱流とは違う境界条件に起因する特異な現象が、界面近傍で起こっていることを明らかにした。

Research Products

• [Publications] C.R.Torres,H.Hamazaki,J.Ochoa,J.E.Castillo & M.L.Van Woert: "Flow past a sphere moving vertically in a stratified diffusive fluid"J.Fluid Mechanics. 417. 211-236 (2000)
• [Publications] H.Hanazaki & J.C.R.Hunt: "Linear processes in unsteady stratified sheared turbulence"In IUTAM Symposium on Geometry and Statistics of Turbulence,T.Kambe,T.Nakano and T.Hiyauchi(Eds.),Kluwer. 291-296 (2001)