2016 Fiscal Year Annual Research Report
超流動ヘリウム４の量子乱流における２流体結合ダイナミクスの理論的研究
| Project/Area Number |
16J10973
|
|---|
| Research Institution | Osaka City University |
|---|
Principal Investigator |
湯井 悟志 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
|
| Keywords | 量子乱流 / 量子流体力学 / 量子渦 / 超流動ヘリウム |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
超流動ヘリウム４は非粘性の超流体と粘性の常流体の混合流体であり，２流体は相互に摩擦力を受ける．本研究課題は，超流動ヘリウム４の乱流すなわち量子乱流を数値的に研究することを目的としている．本年度の研究内容は３つある．(1)昨年度から続く研究の超流動対数則に関して量子流体の国際会議で発表を行い，他の研究者と知見を交換した．対数型速度分布則(対数則)は，通常の粘性流体の乱流において成り立つ最も際立った統計則の１つである．対数則とは，乱流の平均速度場が壁からの距離の対数に比例するというものである．本研究員は，量子乱流の数値計算に管壁を取り入れることにより壁がある場合の量子乱流の統計則を研究し，量子乱流においても対数則が現れることを発見した．(2)本研究課題の主目的である超流動ヘリウム４の２流体結合ダイナミクスを研究するために，数値計算手法を大幅に改良した．本年度の後半にその手法がおおよそ完成し，興味深い結果が得られ始めたので，その結果を日本物理学会において発表した．２流体結合ダイナミクスの理論的理解は量子流体の分野における長年の課題であったので，大きなインパクトを与えたと考えている．近年の可視化実験が観測した２流体の対向流における常流動速度場の変形を再現するためには常流動のナビエ・ストークス方程式も同時に数値計算する必要があるが，先行研究ではほとんど取り組まれてこなかった．そこで，古典流体力学の専門家の協力を仰ぎ，２流体結合ダイナミクスを同時計算できる数値計算手法を開発した．数値計算の結果，相互摩擦力によって互いの流れを変化することがわかった．特に，常流動速度場の平坦化は実験との整合性があり，重要な結果である．(3)実験グループとの共同研究として量子乱流の減衰の数値的研究を行い，その結果を国際会議において発表した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
２流体結合ダイナミクスの数値計算は非常に難しい．なぜなら，渦糸のダイナミクスはラグランジュ的視点であり，常流体ナビエ・ストークス方程式はオイラー的視点であるから，これらを組み合わせるときに工夫が必要になる．共同研究者の協力もあって数値計算手法がおおよそ完成し，興味深い結果が得られ始めたので，概ね順調に進展していると考えている．２流体結合ダイナミクスの数値計算は応用範囲が広いので，今後は多くの興味深い研究を行うことができると確信している．
|
| Strategy for Future Research Activity |
上記の研究実績にある，(2)２流体結合ダイナミクスを用いた2流体の対向流における常流動速度場の変形，(3)量子乱流の減衰，に関してより詳細に研究して論文にまとめる．２流体結合ダイナミクスの数値計算手法を発展させて，他の系にも適用して研究を行う．例えば，２流体がともに乱流の場合のエネルギースペクトルや，2流体の乱流の減衰などである．
|
