回転場におけるマランゴニ対流に関する研究

• 研究課題/領域番号: 61550148
• 研究種目: 一般研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 横谷 定雄 東大, 工学部, 助手 (00010869)
• 研究分担者: 庄司 正弘 東京大学, 工学部, 教授 (00011130)
• 研究期間 (年度): 1986
• 研究課題ステータス: 完了 (1986年度)
• 配分額: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 1986年度: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
• キーワード: マランゴニ対流 / 表面張力 / 地球大気模擬実験 / 波動流 / マランゴニ数 / レーリー数 / ロスビー数

研究概要

地球物理の分野で従来から行なわれてきた地球大気模擬実験と同様に回転場において二重円筒液槽を用い、内外円筒壁の液面近傍のみを加熱・冷却して自由表面に温度勾配を与え、マランゴニ対流が卓越した流れを発生させる実験を行なった。また、この現象に関与する物理量の次元解析および支配方程式から導出されたロスビー数に関するオーダーの検討も合せて行ない、次の結果を得た。なお実験では試験液に動粘度1または10センチストークスのシリコンオイルと純水を用い、流れをアルミ粉で可視化し、実験装置と共に回転する糸から写真撮影することによって流れの様子を観察した。
試験液と加熱・冷却部の接触高さを小さくして密度差対流を非常に抑制した場合でも、密度差対流を扱った地球大気模擬実験で観察されている幾何学的な多角形型の流れが観察され、したがってマランゴニ対流が卓越した流れにおいても多角形型の流れが実現されうることを確認した。他の実験条件の場合も含め本実験で観察された流れは、地球大気模擬実験の場合と同様に次の3種類に分類されることがわかった。すなわち、(1)多角形型の定常波動流(2)うずまき状の定常軸対称流(3)乱れたような不規則波動流である。そして定常波動流において生ずる波数まで考えると、シリコンオイルの場合の結果はマランゴニ数を用いてよく整理され、マランゴニ対流が流動様式に対し、強い影響を与えていることがわかった。これに対し純水の場合の結果はレーリー数を用いるとよく整理された。なお純水にはある種の特殊性があると過去に報告されており、本実験でも回転させない場合の観察から、純水ではマランゴニ対流が顕著に発生しているとは思えず、少なくとも本実験条件内では密度差対流が流動様式に強い影響を与えていると考えられる。
今後、各流動様式の発生限界および定常波動流の発生のメカニズムを探る必要があると思われる。