2019 Fiscal Year Annual Research Report

A fundamental study on the estimation of fluxes in boundary layers of rotating fluids by laboratory experiments

Research Project

Project/Area Number	17K05653
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	伊賀啓太東京大学, 大気海洋研究所, 准教授 (60292059)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	渦の室内実験 / 渦運動に伴う境界層 / 境界層内の運動量輸送 / 層流境界層・乱流境界層
Outline of Annual Research Achievements	円筒容器に水を入れ、底面付近に設置した回転盤を高速で回転することにより大規模な渦を作り、その渦に伴って形成される境界層の構造に注目して、境界層を通した角運動量交換の観点から、理論的な計算と実験結果の比較をしながら解析を行った。水層と容器の側壁や底面の回転盤との間にできる境界層については、流れの流速が比較的整った層流状態であり、内部領域と側壁または回転盤の固体部分との運動量輸送が、速度差に比例する形で運動量輸送が行われていることが推測されている。それに対して、上端の自由表面での境界層についてはどのような流れになっているのか未知であるため、その流れの構造を調べた。まず、室内実験によって自由表面に生じる流れのようすから、ここに形成される境界層は、完全に軸対称な層流境界層とはなっていなかった。実験によって作られた渦の自由表面には流れに伴って複雑な構造が観察された。また、理論計算の結果と対照させると、特に、大規模な渦を形成するのに決定的な役割を果たす子午面循環の流れが、側壁における境界層を通り抜けて自由表面に沿った領域に出てきた時に十分な混合が行われている必要があり、自由表面の境界層の中でも、側壁から出てきてすぐの領域では乱流的な構造を持っていることが示唆された。この渦の内部領域での流れの速さは、領域によって大きな違いはなく、また、流体の内部領域の周囲の各方向でできる境界層の厚さのスケールに大きな違いはない。しかし、その外部の境界が固体壁・運動する境界・自由表面という性質の違いや、さらには、境界条件が同じでも、流体がそこに来るまでにたどってきた履歴の違いによって、境界層が層流になる場合、乱流になる場合がありうることが明らかになった。