2021 Fiscal Year Research-status Report
Turbulence transport in a density stratified fluid generated by multiple scalars: mechanism of differential diffusion and quantitative evaluation
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21K03875
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
沖野 真也 京都大学, 工学研究科, 講師 (30711808)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
花崎 秀史 京都大学, 工学研究科, 教授 (60189579)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 密度成層乱流 / 高シュミット数 / LIF / PIV / 浮力レイノルズ数 / パッシブスカラー / 差分拡散 / 熱塩成層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、熱と塩分のような複数のスカラーによって形成される密度成層流体における乱流拡散現象についての知見を得ることである。特に、水中における塩分の拡散係数は熱の約1/100であり、このとき、塩分の拡散スケールは熱の拡散スケールの約1/10となる。そのようなスカラーの拡散スケールの違いに起因して、乱流拡散係数の違いが生じる現象は差分拡散と呼ばれる。熱と塩分の両方が密度成層に寄与する熱塩成層流体における差分拡散のメカニズムを詳細に調べるにあたり、本研究ではまず、熱のみが密度成層に寄与し、塩分がパッシブスカラーとして振る舞う場合について、大規模な直接数値計算によって調べた。
温度（密度）成層が弱い場合には、温度とパッシブスカラーの乱流拡散係数は顕著に異なるが、温度成層が強くなると、その差はほとんど見られなくなる。乱流拡散係数の差は、成層乱流のプリミティブ波数において持続的に生じる逆勾配の鉛直スカラーフラックスの強さの差に起因することが分かった。強い温度成層流体において、温度とパッシブスカラーの乱流拡散係数に違いが現れなくなる理由は、スカラー（温度およびパッシブスカラー）撹乱の高波数への輸送に比べ、低波数における浮力振動が短時間で起こることで、コルモゴロフスケール以下の小スケールのスカラー撹乱、および逆勾配のスカラーフラックスがほとんど生じなくなるためである。
加えて、塩分のみによって形成される密度成層流体における減衰乱流の室内実験も実施した。特に、レーザー誘起蛍光法（LIF）による密度場の測定を実施し、コルモゴロフスケール以下の小スケールにおける密度撹乱の振る舞いについて調べた。成層乱流のプリミティブ波数における、ポテンシャルエネルギーの局所的な減少という、当研究グループの最近の数値計算結果（Okino & Hanazaki 2020）を実証する結果を得ることができた。
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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
本研究課題は、成層乱流中における二種類のアクティブな（密度変化に寄与する）スカラーの振る舞いを調べるものであるが、そもそも、一方のスカラーがアクティブで、もう一方のスカラーがパッシブという、より基本的な系についてさえ調べられてこなかった。本年度の研究によって得られた知見は、今後、複数のアクティブスカラーの振る舞いを議論する上での基礎となると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度には、熱と塩分の両方が密度変化に寄与する場合を対象とした数値計算を実施する。特に、両者の密度変化に対する寄与度の比（密度アノマリー比）によって、乱流拡散係数がどのように変化するかを調べる。
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| Causes of Carryover |
本研究課題を含む密度成層流体の数値シミュレーションがHPCI(High Performance Computing Infrastructure)の公募課題として選定され（hp210042）、計算機利用料が不要となったため。次年度使用額は大容量のデータを保存するための、ハードディスクの購入に充てる。
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