| 研究課題/領域番号 |
15H02218
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| 研究機関 | 名古屋工業大学 |
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研究代表者 |
後藤 俊幸 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70162154)
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| 研究分担者 |
吉野 正人 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00324228)
渡邊 威 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30345946)
三浦 英昭 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (40280599)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 雲乱流 / 雲粒子 / 雲マイクロ物理 / スカラー混合 / 高シュミット数 / 大規模直接数値計算 |
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| 研究実績の概要 |
本研究のシンボルともいうべき雲粒径分布関数の雨粒子形成にいたるまでの時間発展が雲マイクロ物理シミュレータ（CMS）を用いた第1原理計算により世界で初めて計算された．ハワイ沖500m上空に置かれた1辺が約50㎝の立方体が，潜熱解放により誘起された上昇気流により上空に運ばれる際の雲粒子と雲乱流の時間発展を直接数値計算により求めたものである．凝結・蒸発，レイノルズ数依存の流体抵抗，粒子の衝突・併合，乱流混合，エントレインメントによる乾燥空気混合など雲粒子成長過程における必須なメカニズムを取り込んで約9分間の成長を追跡した．その結果，初期に半径10μmにあった雲粒径分布のピークが時間とともに大きい半径側に移動し，約6分後には右側の裾野が広がり始めた．初期にあった粒径分布の第1ピークは次第に狭くなる一方，第2のピークが成長して半径約100 μmに到達し最大半径のものは約0.5㎜の雨粒までにまで達することが分かった．また，乱流混合スペクトルの時間発展が観測と極めてよく似た振る舞いをすることが分かった．さらに，雲粒子半径比，相対レイノルズ数，表面張力の影響などを取り込んだ衝突・併合ダイアグラムの計算が進展した．これらの成果の発表とより包括的な研究コミュニティー形成を意図して，2017年2月にLeipzigでの「Workshop on cloud microphysics - turbulence interaction」に招待され講演するとともに，その直後に「2nd International Workshop on Cloud Turbulence」を名工大で開催した．研究者間の交流を図り今後の研究協力に向けた国際ネットワーク構築が進んだ．一方，将来的には雲乱流における圧縮性の効果を取り入れる必要性を見込んで，弱圧縮性乱流の数値計算を行い，揺らぎの分布関数やスペクトルを解析した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
雲マイクロ物理過程の大規模直接計算における最大の障壁である雲粒子の衝突・併合過程計算が高速化されたことにより約９分間にわたる計算を達成することができた．これは大きな進展であり，さらに必要な物理過程を導入する確かな基盤が構築できたと判断する．また，200万ステップ以上の計算を「京」などの計算機で滞りなく実行できた経験から，より現実に近い高レイノルズ数での雲乱流をシミュレートする可能性が開けた．また，空気中の微小水滴の衝突における表面張力，レイノルズ数，相対半径比などを取り入れた衝突ダイアグラムが得られつつある．雲粒子形成核となる高シュミット数の乱流混合についての理論および数値解析が進んでいる．以上の成果が，論文や国内外の学会で発表されるとともに，国際ワークショップの主催を通して国際的研究連携が進んでいることなどからおおむね順調に進展していると判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
国際会議等で成果を公表していくうちに，雲粒子生成過程を取り入れる必要性が新たに認識された．雲粒子に加えて多数のエアロゾルをさらに取り入れ，過飽和度に応じて活性化させる必要がある．このプロセスをコードに導入し高速化させる必要がある．また，高シュミット数のスカラーとしてエアロゾルの乱流混合を解析して揺らぎのスペクトルや空間構造などを調べる．これまで，雲粒子の衝突・併合には粒子間の流体力学相互作用や表面張力などの効果を取り入れていなかった．衝突ダイアグラムがようやくできつつあるので，この影響を取り入れた計算を行う予定である．さらに進んで，実際の雲乱流をめざして，高レイノルズ数での大規模シミュレーションを行うことを進める．
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