2022 Fiscal Year Annual Research Report
超高プラントル数スカラーの成層乱流とエネルギー交換
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21H01247
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
花崎 秀史 京都大学, 工学研究科, 教授 (60189579)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沖野 真也 京都大学, 工学研究科, 講師 (30711808)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 成層流体 / 乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超高プラントル数の典型である塩分成層流体（Pr=700）中の乱流を、乱れの積分長で定義したレイノルズ数がRe=50～100の場合について、数値計算、水槽実験、理論解析により調べた。
1. 数値計算（DNS）：本年度も継続して、直接数値シミュレーション(DNS) を、周期境界条件を課した立方体領域に対して行った。注目する物理量は、速度場（運動エネルギー）、スカラー撹乱（位置エネルギー）、スカラーの鉛直フラックス（運動エネルギーと位置エネルギーの交換量）などの空間分布と、その時間変化である。これらの量の波数空間でのスペクトルと、実空間での構造との対応関係を詳細に調べることにより、Pr=700付近で見られる階段状のスペクトルが持つ意味と、その発現メカニズムを明らかにした。
2. 水槽実験：速度場をPIV法、塩分濃度場の時間変化をLIF法によって計測した。PIVには、Nd:YAGレーザーを用いた。塩分濃度場を測定するLIFは、ローダミン110（吸収波長496nm, 蛍光波長520nm）に連続発振の固体レーザー(488nm) を照射して行った。LIF計測において、高波数におけるCCDカメラのノイズを、波数空間で解析することによって除去することができ、塩分濃度場（密度場）スペクトルの数値計算との一致を確認できた。
３．理論解析：Rapid Distortion Theory (RDT) による解を、様々なプラントル数、レイノルズ数に対して求め、DNS及び水槽実験との比較を行い、超高プラントル数乱流が持つ特異なスペクトルの起源を理論的な側面から明らかにすることを試みた。
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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
数値計算と理論は、ほど予定通りに進行している。水槽実験については、大型水槽の製作が業者の廃業によりできなかったため、大型水槽の実験が開始がまだできていないが、小型水槽の実験結果（塩分濃度場測定）のスペクトル解析においては、手法の検討により、数値計算との比較が適切にできるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験においては、大型水槽の導入により、（１）水槽の壁面境界層の影響を排除した状況下での実験を行う。（２）小水槽では行えなかった高レイノルズ数の実験を行い、現実の海洋など、高レイノルズ数の成層乱流が持つ性質を予測する。
その結果も取り入れながら、数値計算、Rapid Distortion Theory (RDT)理論、水槽実験の、できる限り定量的な比較を行っていく。
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