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2017 年度 実績報告書

非平衡相転移としての層流・乱流転移における普遍法則の確立

研究課題

研究課題/領域番号 16H02212
研究機関東京大学

研究代表者

佐野 雅己  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (40150263)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード層流乱流転移 / 流れの安定性 / Directed Percolation / 非平衡統計力学 / 非平衡ゆらぎ
研究実績の概要

流体における層流・乱流転移は、世紀を超えて科学者が挑戦し続けている難問の一つである。20世紀終わりのカオスの発見は、閉鎖流の時間的乱れの発生機構を明らかにしたが、パイプ流などのシア流における時空間的乱れの発生は、19世紀のレイノルズ以来、未解決である。これに対して我々は、統計力学的な視点を導入し、粗視化により局在した乱流構造を1つの乱れた要素と見なし、その乱れが時空間全体に広がる(乱流への遷移)かそれとも消滅(層流状態への回帰)してしまうのか、大域的で統計的な振る舞いに着目することで、層流・乱流転移が吸収状態相転移の一種である有向パーコレーション(Directed Percolation)と見なせることを提案した。
実際に、これまでに、シア流における層流・乱流転移は有向性パーコレ ーション(DP)であるとの仮説に基づき、世界最大のチャネル乱流実験装置を製作し、DP転移における3つの独立な臨界指数の測定に成功した。また、液晶の乱流系においても、移流がある場合のDP転移の実験を行い、一定の成果を得ている。

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

移流のある実験系でどのようにして信頼できるDPの臨界指数を測ることができるかと言う点に関して、流路の入口にグリッドを導入し、敢えて乱流を注入することで、Active Wall(活性壁)と呼ばれる境界条件を課すことで定常状態を実現し、(2+1)次元DPの臨界指数が測定可能であることを現象論とシミュレーションによって明らかにしており、今後はこれらの成果をまとめる予定である。

今後の研究の推進方策

移流のある液晶乱流系については、高精度で安定した制御が可能なシステムを作成することに成功し、残り1年で包括な実験を行う計画である。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Chirality-induced helical self-propulsion of cholesteric liquid crystal droplets2018

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, Takaki; Sano, Masaki
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 38 ページ: 3328-3333

    • DOI

      10.1039/c7sm00337d

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical model of chirality-induced helical self-propulsion2018

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, Takaki; Sano, Masaki
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 97-1 ページ: 012607/1-11

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.97.012607

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Flagellar dynamics of chains of active Janus particles fueled by an AC electric field2018

    • 著者名/発表者名
      Daiki Nishiguchi, Junichiro Iwasawa, Hong-Ren Jiang and Masaki Sano
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: 20 ページ: 015002/1-14

    • DOI

      10.1088/1367-2630/aa9b48

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Transition to Turbulence and Nonequilibrium Phase Transition2017

    • 著者名/発表者名
      M. Sano
    • 学会等名
      ENS-UT Workshop (Nov. 15-16, 2017), Tokyo, Japan
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Transition to Turbulence in Channel and Annular Flow2017

    • 著者名/発表者名
      M. Sano
    • 学会等名
      Workshop: Transition to Turbulence, Niels Bohr Institute (Oct. 23-25, 2017), Copenhagen, Denmark.
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Thermal and Electric Effects in Active Colloid: Thermophoresis, Self-Propulsion, Self-Assembly2017

    • 著者名/発表者名
      M. Sano
    • 学会等名
      Gordon Research Conference on Plasmonically-Powered Processes (Jun. 25-30, 2017), Hong Kong
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2019-12-27  

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