2017 Fiscal Year Research-status Report
A fundamental study on the estimation of fluxes in boundary layers of rotating fluids by laboratory experiments
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17K05653
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
伊賀 啓太 東京大学, 大気海洋研究所, 准教授 (60292059)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 渦の室内実験 / 円筒容器内の流れ / 非軸対称な渦 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
底面付近に回転盤を設置した円筒容器内に水を入れて回転盤を高速で回転することにより大規模な水の渦を励起する室内実験を行い、渦の振る舞いが実験の条件によってどのように変化するのかを調べて、その実験パラメータ依存性を整理した。
回転盤の回転数が小さい時は、基本的には円形の渦ができるが、回転数が大きくなるとその軸対称性が崩れ、楕円や多角形の渦へと移行する。回転数が大きくなるに連れて、多角形の頂点の数は増えていく。また、その移行する回転数は、初期に入れておく水の水深に依存し、初期水深が浅いほど小さな回転数でこの遷移が起こる。これらの結果は、回転数と初期水深によるパラメータ面でダイアグラムとして整理することができる。
さらにこのダイアグラムのうち、回転数が小さく円形渦のできるレジームを詳細に見ると、流れが完全に軸対称になっていない場合も観察された。特に、円形に近い渦の水面が次第に大きく振動していったり、しばらくすると再び静かになるという特徴的な現象が観測される。この現象が生じる回転数の幅は非常に狭く特定の回転数に限られており、またその値は初期水深にあまり依らない。これ以外にも、回転数によってはほぼ軸対称を保っているように見える渦に小さな振動が重なっている場合があり、円形渦のレジームとして分類できるパラメータ領域でも詳細に見ると必ずしも完全な渦の軸対称性が保たれているとは限らないことが明らかになった。今後、渦の軸対称性や安定性を考えるなど渦を取り巻く流れの理論的な取り扱いをする際には、注目する円形渦からのずれの大きさをきちんと認識してレジームの分類を行う必要があることがわかった。
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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
次年度以降では、円筒容器内に水を入れて底面付近の回転盤を高速で回転することによって大規模な水の渦を励起する室内実験において、渦運動を作る流れの境界層の構造とその境界層における各物理量のフラックスに注目しながら、流れの性質を規定する力学を明らかにすることを目指すが、本年度は、そのための基礎情報として、実験パラメータによってどのような渦が生じるのかというレジームを大局的に整理しておくことが最も主要な目標であった。
本年度の研究では、広いパラメータ範囲での室内実験を調べていて、パラメータを網羅的に変化させてその依存性を明らかになっており、この点で、最大の目標に対してはほぼ予定通りに進んでいると言える。ただし、得られたレジームは当初の予想のように単純なものには留まらず、流れが対称性を保っているか破れているかのレジームの遷移は複雑な様相を示しているので、これを次年度以降の解析の基礎とするためには、該当するパラメータ範囲については引き続き実験をもう少し細かく実施して、その結果を丁寧に整理する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の予定通り、初年度に行った室内実験のデータに基づき、その境界層の流れやそこから生じる各物理量のフラックスに注目して、流れを決める力学を明らかにしていく。そのために、室内実験のデータを解析してレジームごとに対しての支配的な渦の力学的バランスを導くとともに、このバランスをもとにして、背景となる流れの詳細な理論的記述を行っていく。今年度実施した室内実験の結果は、理論を考える際の指針・検証として用いることが期待されるが、実験の渦運動の流れで測定した物理量は限られており、構築した理論の検証はその測定量に基づいて行うことになる。理論はそのような比較が可能になるよう、代表的な物理量を実験パラメータの関数として表現できるようなものを目指す。ただし、パラメータ領域によっては渦の振る舞いを示すダイアグラムが単純ではないことがわかったので、そのパラメータ領域での実験結果を詳細を記述するために室内実験による測定も引き続き適宜行い、必要となる基礎データを補充していく。また、ほぼ円形の渦ができるパラメータ領域において見られた対称性を破る現象については、この現象を特徴づけるいくつかの量の測定を引き続き行い、その実態把握に務める。
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| Causes of Carryover |
(理由) 実験データの量が少なかったために、実験結果を整理するメディアが既存のもので足りたため、わずかながら次年度に使用する額が生じた。
(使用計画) 次年度は、引き続き行う実験のデータを整理するのに必要なメディアに充てる予定である。
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Research Products
(5 results)
