2004 Fiscal Year Annual Research Report
乱流における新しい超音波計測法の開発と乱流運送限界の解明
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16206020
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Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
佐野 雅己 東京大学, 大学院・理学系研究科, 教授 (40150263)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村山 能宏 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (60334249)
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| Keywords | レーリ・ベナール対流 / 熱乱流 / ハード乱流 / 超音波計測法 / スケーリング則 / 境界層 / 乱流中の巨視的構造 / 乱流輸送 |
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| Research Abstract |
本研究は、極めて発達した熱乱流を発生させ、熱流やレーリー数などマクロな物理量間に期待される究極的なスケーリング則や乱流揺らぎの統計測を確立し、そのメカニズムを明らかにするために、従来計測が困難であった乱流速度場の時間変化を超音波計測の手法により実現することが目的である。今年度の成果は、以下のとおりである。
1.発達した熱乱流を安定して生成するため水銀対流装置の冷却制御系、電磁バルブ、ポンプを改良し冷却能力を上げた。
2.1本の超音波プローブにより円筒容器の中心軸に沿った速度場の分布を測定することに成功し、速度場の瞬時の様子が時々刻々捉えられるようになった。
3.上記測定の精度を確認するため、透明の液体を用いてPIV法と超音波計測の比較を行い、超音波エコー取得率が90%以上の場合に両者に高い相関が得られることから、超音波法が熱乱流に適用可能であることを確認した。
4.速度場の直接測定により乱流のエネルギースペクトラムを従来のようテーラー仮説を用いることなく、直接計算することに成功し、熱乱流で予測されていた、Bolgiano-Obkhov則(-11/5乗則)を直接始めて検証した。また、1点測定でテーラー仮説を用いた場合は場所により指数が異なることを明らかにした。
5.3本のプローブによる時分割測定を実現し垂直中心軸の他に上部境界層内での乱流速度分布の時間変化を測定することに成功した。その結果、境界層内と外で垂直方向の速度成分の逆転が存在すること水平方向の速度分布に長い相関距離や相関時間が存在するとともに、コヒーレントな孤立波構造が伝播することを見出した。
6.乱流中に対称性を破って出現するマクロな平均流の時空間変化を超音波法により始めて可視化した。その結果、平均流はアスペクト比0.5の円柱容器では上半分で上昇、下半分で下降の平均構造を持ち、上下にランダムにゆれる振動を示すことが見出された。
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