2014 Fiscal Year Annual Research Report
歳差運動に駆動される非ニュートン流体の乱流の統計と動力学の解明
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24360071
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
後藤 晋 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (40321616)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 雅樹 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (20550304)
河原 源太 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (50214672)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 乱流 / 歳差運動 / 非ニュートン流体 / 乱流変調 / 粒子画像流速測定 / レーザードップラー流速測定 / 直接数値シミュレーション / 回転流体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
作動流体の非ニュートン粘性や弾性が乱流を強く変調する現象の物理機構を解明することを目的として、自転軸が歳差運動をする容器内部に維持される乱流に対する界面活性剤の添加が与える影響を、室内実験と数値シミュレーションを併用することで明らかにした。
とくに26年度は室内実験に関して大きな進展があった。作動流体として（50 ppm 程度の）希薄な界面活性剤（塩化セチルトリメチルアンモニウム）の水溶液を、半径 90 mm の球体容器に充填して実験を遂行した。この水溶液の物性値は温度に敏感に依存するので、新たに温度調整機構を導入し、実験中の容器内の流体の温度変化を0.1度未満とした。
まず、レーザードップラー流速計を用いて、容器内の１点の流速の時系列を計測し、その時系列解析に基づき定常流から非定常流への遷移過程を調べた結果、実験を行った（自転角速度の大きさに基づいて定義される）レイノルズ数の範囲では、臨界パラメタや最不安定モードには、界面活性剤の添加は影響を及ぼさないことが明らかとなった。
次に、粒子画像流速測定により、容器の赤道面における平均流速場および乱流強度を計測した。とくに、もっとも発達した乱流が維持されるパラメタに着目して実験を行った結果、乱流変調は空間的に局在して発現することが明確となった。つまり、容器中心部では劇的に平均流速や乱流強度が低減する一方で、壁面近傍の大規模渦はほとんど変調されない。また、変調される領域はレイノルズ数とともに拡大することも分かった。ニュートン流体に対する数値シミュレーションによれば、この壁面近傍の大規模渦が容器内乱流の維持に強く寄与することが分かっているため、これは重要な観察結果である。
上述の２つの実験結果は、本研究で調べた乱流変調が空間的にもパラメタ空間においても限定的に発現することを示しており、その物理機構の解明の重要な手がかりを与える。
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| Research Progress Status |
26年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
26年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Causes of Carryover |
26年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
26年度が最終年度であるため、記入しない。
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