| 研究概要 |
密度が不連続となる密度躍層で乱れによる拡散,混合が抑制される現象は海洋や大気中の成層化された流体中で普通に起こっている現象であり,汚染物質の拡散や熱の輸送とも直接関係するので環境問題を考える上で非常に重要な現象である.このような現象を引き起こす密度躍層の形成の機構を調べるため,この現象を引き起こす支配的な構造を実験と理論計算によって抽出し,これをモデル化することを試みた.
まず実験室において密度躍層の形成と連行を再現する.まず閉鎖性水域における吹送流による混合の最も簡単な実験モデルとして成層キャビティ流の実験装置を製作した.アクリル板で組み立てたキャビティの上部で樹脂ベルトをモーターで移動させる.シャドウグラフ法,トレーサー法による流場の可視化を行い,ディジタルビデオカメラでコンピューターに取り込んで画像解析を行った.
次に,密度の微小な変化や密度の不連続面である密度躍層を取り扱うため,これまで我々が開発してきた密度成層流の計算方法を用い,実験と同じ成層キャビティ流について直接シミュレーションを行った.
計算結果と実験結果を比較検討した結果,密度界面近傍の流場は主流のせん断層が3次元的な不安定性に見舞われ,流れの方向に軸を持つ縦渦が形成されことが明らかになった.これは反対回転の縦渦が交互に一列に並んだ構造であり,この縦渦が密度界面を変形して下層の流体を持ち上げるため,密度界面を通した混合を促進することが示された.
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