2019 Fiscal Year Annual Research Report
An experimental study using linear modes as breakthroughs in the study of turbulent cascade processes
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17K06150
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
松原 雅春 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (10324229)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 乱流 / せん断流 / 秩序構造 / カスケード / 二次不安定 / 線形 / アンサンブル平均 / 変曲点不安定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
壁せん断乱流中には流れ方向に長く伸びたストリークやヘアピン渦などの秩序構造は，運動量輸送や熱拡散，乱流への遷移を促進させると考えられている。一方，外力や平均流から注入されたエネルギーが大きなスケールの渦から小さなスケールの渦へと伝達されるカスケード現象が存在し，これが乱流のエネルギー消散や混合速度を決めている。しかし壁せん断乱流中には，様々な乱れ構造が存在していることから，乱流カスケード過程は多様でさらに発生は不規則であるため，実験による瞬間的な構造や時間的変化をとらえるのは長い間困難であった。本研究では，平板乱流境界層中に人工的に初期撹乱を与え，励起された周期撹乱によって得られたデーターをアンサンブル平均することにより，ストリーク構造を抽出し，弱い初期撹乱強さに対してストリークの周期変動成分が比例関係を持ち線形性を持つこと，ストリーク構造に変曲点型不安定性が発生しカスケードが起きていることが示唆されている。
そこで，乱流境界層に初期撹乱を挿入し，ストリークが変曲点型不安定性を起こす過程について実験的に調べた。そのため，低周波撹乱で発生させたストリーク構造上に変曲点不安定性を引き起こす高周波撹乱を加え，二次不安定性を抽出した。強い低周波撹乱による，ストリークにおける二次不安定性を調べたところ，変曲点付近に変曲点型不安定性が出現することがわかった。また，低周波撹乱が弱く，線形領域の場合，二次不安定の振幅は，低周波撹乱の振幅に比例し，このカスケード過程にも線形現象が存在することが示唆された。これらの実験でカスケード現象の過程が実験においてアンサンブル平均法で抽出されることを示しており，抽出した構造や過程は平均化されているため，統計的な意味，つまり一般性を持つと考えられる。この手法は今後，秩序構造やその崩壊過程であるカスケードに関する研究で強力なツールとなると考えられる。
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