乱流要素渦の構造と力学

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12125204
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 木田 重雄 核融合科学研究所, 理論シミュレーション研究センター, 教授 (70093234)
• 研究分担者: 藤 定義 京都大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (10217458) ; 宮嵜 武 電気通信大学, 大学院・電気通信学研究科, 教授 (50142097) ; 三浦 英昭 核融合科学研究所, 理論シミュレーション研究センター, 助手 (40280599) ; 後藤 晋 核融合科学研究所, 理論シミュレーション研究センター, 助手 (40321616)
• キーワード: 乱流 / 要素渦 / 反平行渦 / 渦波 / 流体線 / 流体面 / 2粒子拡散 / ストリーク構造

研究概要

乱流要素渦の空間構造とその乱流力学におけるはたらきを,一様等方乱流,チャネル乱流,およびMHD乱流に対して,数値シミュレーション可視解析により調べてきた。
[1]乱流中の浮遊物質の混合・拡散のメカニズムを理解するために,その基礎過程である流体線と面の変形・伸張を調べ,線の長さと面の面積がどちらも,時間の経過とともに,指数関数的に増加することを示し,その増加率を正確に求めた。
[2]乱流中に普遍的に存在する管状旋回渦は,反平行に揃う傾向があること,そして,反平行渦対が流体線や流体面の伸張過程に大きく寄与していることを示した。
[3]圧縮性の存在が渦の成長を抑制すること,また,圧縮性渦に生じる渦波は非圧縮性渦の渦波と全く異なる性質をもつことを示した。
[4]大規模秩序渦構造と乱流場との相互作用において,秩序構造に軸流がない場合,要素渦から形成された渦輪状構造は渦芯の表面付近でのエネルギー散逸を促進することを確かめた。また軸流を伴う場合,線形不安定性により大規模なツイスト状の渦構造の形成が,2次不安定性により微細な渦構造の生成が,それぞれ観測された。
[5]チャネル流の外部層に,内部層で見られるような縦渦構造やストリーク構造が再現できることを示した。
[6]2次元熱対流乱流において,2粒子拡散をexit-time統計を用いて解析することにより秩序構造に沿った弾道的な粒子対の引き伸ばしと長時間かかるマルコフ的な拡散による引き延ばしに分離できることを示した。

研究成果

• [文献書誌] S.Kida: "Reynolds-number dependence of low-pressure vortex in turbulence"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 229-238 (2002)
• [文献書誌] S.Kida: "Low-pressure vortex analysis in turbulence : Life, structure and dynamical role of vortices"Proc. IUTAM symposium 'Tubes, Sheets and Singularities in Fluid Dynamics'. (In print). (2002)
• [文献書誌] 木田重雄: "乱流要素渦--その構造とはたらき"ながれ. 21. 488-494 (2002)
• [文献書誌] 木田重雄: "乱流変動のレイノルズ数依存性"九州大学応用力学研究所研究集会報告. 13ME-S2. 96-101 (2002)
• [文献書誌] 木田重雄: "乱流渦の構造とはたらき"高等研報告書. 0240. 29-38 (2002)
• [文献書誌] 木田重雄: "乱流要素渦--低圧力渦を通して見えてきたもの"パリティ. 18. 13-19 (2003)
• [文献書誌] S.Yanase: "Positive feedback mechanism to generate coherent vortical structures in rotating shear flow turbulence"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 159-174 (2002)
• [文献書誌] 柳瀬眞一郎: "回転流体中の秩序渦の生成機構"京都大学数理解析研究所講究録. 1285. 1-14 (2002)
• [文献書誌] T.Makihara: "Automatic tracking of low-pressure vortex"J. Phys. Soc. Japan. 71. 1622-1625 (2002)
• [文献書誌] 槙原孝文: "等方乱流中の低圧力渦の構造"京都大学数理解析研究所講究録. 1285. 30-36 (2002)
• [文献書誌] G.Kawahara: "Time-periodic solutions for plane Couette flow"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 129-140 (2002)
• [文献書誌] 河原源太: "直線渦管に巻き込まれたらせん渦層のエネルギー散逸"京都大学数理解析研究所講究録. 1285. 45-54 (2002)
• [文献書誌] N.Ishihara: "Dynamo mechanism in a rotating spherical shell : Competition between magnetic field and convection vortices"J. Fluid Mech.. 465. 1-32 (2002)
• [文献書誌] N.Ishihara: "Equatorial magnetic dipole field intensification by convection vortices in a rotating spherical shell"Fluid Dyn. Res. 31. 253-274 (2002)
• [文献書誌] G.Goto: "A multiplicative process of material line stretching by turbulence"J. Turbulence. 3. 17 (2002)
• [文献書誌] S.Goto: "Stretching of materical surfaces in isotropic turbulence"Proc. 9th. Euro. Turb. Conf.. 125-128 (2002)
• [文献書誌] S.Goto: "Mixing enhancement by anti-parallel pairs of elementary vortices"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 103-114 (2002)
• [文献書誌] 後藤 晋: "流体面の伸長率に対するBatchelor仮説の破綻"京都大学数理解析研究所講究録. 1285. 193-200 (2002)
• [文献書誌] H.Miura: "Analysis of vortex structures in compressible isotropic turbulence"Journal : Gomp. Phys. Comm.. 147. 552-554 (2002)
• [文献書誌] H.Miura: "Suppression of vortical motions due to compressibility in decaying isotropic turbulence"Proc. 9th. Euro. Turb. Conf.. 865 (2002)
• [文献書誌] H.Miura: "Suppression of concentrated vortices by generation of acoustic waves in isotropic turbulence"Proc. Int. Symp. 'Dynamics and statistics of coherent structures in turbulence : Roles of elementary vortices'. 239-248 (2002)
• [文献書誌] T.Miyazaki: "Numerical Validation of Quasigeostrophic Ellipsoidal Vortex Model"J. Phys. Soc. Japan. 71. 2687-2699 (2002)
• [文献書誌] 高橋直也: "秩序渦と乱流場の相互作用について"ながれ. 21. 497-498 (2002)
• [文献書誌] S.Toh: "A periodic-like solution in channel flow"J. Fluid Mech.. 481. 67-76 (2003)
• [文献書誌] 藤 定義: "波の魅力とその数理"数理科学. 478. 5-12 (2003)
• [文献書誌] 藤 定義: "アクティブスカラー乱流における2粒子拡散"高等研報告書. 0240. 107-116 (2002)