| 研究概要 |
本研究では,壁面乱流の自己再生メカニズムに対して実験,理論の両面でのアプローチを試みた.
実験では,正方形断面を有する管路内の壁面乱流に関して乱流の再生,維持において重要な役割を果たすレイノルズ応力の発生メカニズムをLDV(レーザドップラ流速計)を用いた乱流計測によって明らかにした.管壁面付近では,流れの方向に回転軸を有する縦渦が誘導するイジェクション(低速流体の壁面からの上昇)及びスウィープ(高速流体の壁面への接近)の両方によって強いレイノルズ応力が発生し,その結果乱流が維持される.一方,管の角部付近では,縦渦が隣り合う各壁面上の流体を一つの壁面からもう一つの壁面に向けて輸送するため,スウィープが選択的に弱められ,主に縦渦が誘導するイジェクションを通じて乱流が維持されることが明らかとなった.この角部における縦渦の管断面における寸法や循環などの特性量を示した.さらに,工学的に重要となる局所壁面剪断応力について,その壁面での応力分布の状況を明らかにした.
理論においては,乱流の再生,維持に重要となるレイノルズ応力を発生させる縦渦の生成メカニズムを明らかにした.壁面乱流のストリーク構造(流れ方向に引き伸ばされた高速あるいは低速の流体)の流体力学的不安定を解析し,乱流中のストリークがその湾曲モードに対して不安定となることを示した.ストリークは主流の存在により壁面垂直方向に剪断されるため,ストリークの不安定モードは壁垂直方向から流れ方向への傾きを有する.そのため,ストリークが不安定化してスパン方向へ湾曲すると,その結果直接流れ方向渦度が生成され,これにより縦渦が生み出されることが明らかになった.さらに,壁面乱流の最小構成単位であるミニマル流の直接数値シミュレーションを行い,自己再生サイクル全体を表現する時間周期解を求め,縦渦及びストリークからなる秩序構造の乱流における役割を明らかにした(論文投稿準備中).
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