2017 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
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16J10973
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| Research Institution | Osaka City University |
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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)
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2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 超流動ヘリウム / 量子流体力学 / 量子渦 / 量子乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2流体模型によると、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として理解できる。超流動中の速度循環は特定の値に量子化される。そのような渦を量子渦と呼ぶ。本研究の対象は、超流動の乱流、すなわち量子乱流である。量子乱流中では、量子渦が複雑なタングルを形成している。超流体と常流体の対向流すなわち熱対向流は、量子乱流を発生させる典型的な系として長年研究されてきた。
本課題は、2流体の同時ダイナミクスの解明である。本年度は、2流体の数値計算を行うためのプログラムを完成させて本格的に研究を行ない、熱対向流中の量子乱流における興味深い物理を明らかにすることに成功した。本研究では、常流体の層流が量子乱流によってどのように影響を受けるかを調べた。結果として、量子乱流が強くなると、常流動の層流が通常のポアズイユ流から平坦化することがわかった。この結果は近年の可視化実験とも整合性がある。この結果を論文としてまとめ、投稿したところ、インパクトの高い雑誌であるPhysical Review Lettersに掲載された。この論文に関して、大阪市立大学と慶應義塾大学による共同プレスリリースが発表された。さらに、この論文に関して日刊工業新聞、大学ジャーナルオンライン等で報道されるなど、大きな反響があった。
並行して、量子乱流の減衰機構の研究も行った。これは、実験グループとの共同研究である。我々は、数値計算を用いて量子乱流の減衰を調べ、実験との比較を行った。先行研究との違いは、管壁の効果を考慮した数値計算を行った点である。この場合、空間的に非一様な量子乱流が現れ、その減衰を調べることになる。結果として、一様な量子乱流より、非一様な量子乱流の方が実験結果と一致することがわかった。この結果は、量子乱流を議論する上で、その非一様性を考慮することの重要性を示している。この結果は、現在、論文査読中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題である、2流体結合ダイナミクスの数値計算を完成させ、重要な結果を得た。その結果は、インパクトの高い雑誌に掲載され、主要な目標は達成された。また、並行して、非一様量子乱流の減衰も研究し、その結果も論文として投稿できた。したがって、概ね順調に進展していると、評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により、2流体物理学という大きな分野が切り拓かれたと考えている。今後は、2流体系が内包する多彩な物理を研究していく。まず、2流体結合ダイナミクスにおける量子乱流の減衰など、現状の手法でも可能な数値計算を行っていく。それと、並行して、数値計算手法の改良も行い、2流体がともに乱流であるときの物理なども研究する。
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