| 研究概要 |
水門開放によって生じる重力流の実験と計算を行い,先端部の構造について調べた.重力流の発達段階をボックスモデルで表現し,エネルギー変換に関する考察を行った.
開放する流体の初期の厚さと水門の位置を変えて,染料とシャドウグラフ法を用いた可視化実験を行い,先端部の進行速度を計測した結果,そのボックスモデルの有効性が確かめられた.初期段階では開放された流体は一定速度で広がり,その後,減速して,先端部の速度が時間の-1/3乗に比例する自己相似の段階に入る.最終段階では流体の粘性が支配的になり,先端部の速度が時間の-4/5乗に比例してさらに減速する.
ナビエ・ストークス方程式を有限体積法によって解き,発達段階の異なる重力流の先端部の構造について調べた.計算でも重力流の発達段階の遷移が再現され,密度場から求めた先端速度は実験結果と良く一致した.重力流の先端部の形状と内部構造はその発達段階に応じて変化する.低レイノルズ数の場合でも鋭い密度界面を持ち,外側の流体は上面を通して比較的大きなスケールで取り込まれて先端部の後方で激しい混合が生じることが明らかになった.非粘性条件を課した計算では第2段階への遷移が起こらないことから,この遷移には粘性条件に関係した何らかの刺激が必要であることが示唆される.水門距離が短いため,質量集中が生じて厚くなった先端部からは渦放出が起こり,その放出された渦が密度を輸送する.従って先端部からの渦放出は先端部の急速な縮小と激しい混合を説明できる機構の一つと考えられる.
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