2023 Fiscal Year Annual Research 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 | 熱塩成層流体 / 減衰乱流 / 高シュミット数 / ソルトフィンガー / 直接数値計算 / 二重拡散対流 / レーザー誘起蛍光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、海洋においてしばしば見られるような、熱と塩分によって形成される密度成層流体（熱塩成層流体）における乱流拡散現象について調べた。塩分の拡散係数は熱の約1/100であり、塩分の拡散スケール（バチェラースケール）は熱の拡散スケールの約1/10である。熱と塩分の両方の効果によって形成される鉛直密度分布が静的に安定であっても、両者の拡散スケールの違いに起因して、不安定性あるいは対流が生じることが知られている（二重拡散対流）。本研究では、熱塩成層流体における減衰乱流の直接数値計算を行ない、小スケールにおいて生じる不安定性が乱流全体の減衰にどのような影響を及ぼすかを調べた。これまで二重拡散対流を説明するために用いられてきた線形安定性解析は無限小撹乱の発達・減衰を調べる手法であるのに対し、有限振幅撹乱の非線形的な時間発展を大規模な数値計算によって調べた点が本研究の特徴である。特に本研究では、流れの浮力比依存性に焦点を当てて解析を行った。ここで浮力比とは、密度成層に対する温度と塩分の寄与率を表すパラメータである。温度成層または塩分成層が不安定である場合には、温度の拡散スケール付近でポテンシャルエネルギー（密度撹乱の二乗に比例する量）が生成される。塩分成層が不安定であり、流れがフィンガー型不安定である場合には、初期撹乱が減衰した後に再度流れが発達し、鉛直方向に長く伸びた密度分布（いわゆるソルトフィンガー）が形成される。一方で、温度成層が不安定であり、流れが拡散型不安定である場合には、ポテンシャルエネルギーは短時間で著しく増大し、その結果、運動エネルギーの減少が抑制される。しかし、そのような拡散型不安定の場合を除き、運動エネルギーの減衰において浮力比依存性はほとんど見られなかった。
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