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今年度は、密度成層下における熱対流の数値計算のための非圧縮性ナヴィエ・ストークス方程式に基づいたモデルを発展させて、深海環境下における物理的状況を考慮したモデルの構築を行った。特に、密度成層度の強さに影響する基準温度場の効果に着目し、現実に考えられるいくつかの基準温度場を想定した上で行った熱対流の数値計算結果を適切な可視化を用いて解析することで、現実の熱水の移流拡散を再現するモデルを設定した。
対流と拡散のパターンが顕在化する2次元モデルを用いて数値計算を行い、設定した基本場の妥当性を確認した。しかし現実の流れを扱うためには計算負荷の大きい3次元計算が必要であるため、計算効率を考慮した3次元のモデル化も進めた。具体的には、局所的な流れを捉えるための比較的レイノルズ数の小さい流れと、海洋中の熱対流を大域的に捉えるレイノルズ数の高い流れの計算を行うための、それぞれ別のモデルを構築し、計算を行った。その結果、局所的な流れの計算においては基本温度場の熱対流への影響が定性的に明確に捉えられた。大域的な流れの計算では現実の海底地形も用い、海底地形の影響を受けた熱対流によってさらに規模の大きい対流が発生する現象を捉えた。また、熱対流モデルを二重拡散対流モデルに拡張した計算も実施した。現実の熱水噴出孔から噴出する熱水には様々な物質が含まれており、その移流拡散と熱水の密度増加を考慮するためである。二重拡散対流モデルを用いた計算により、熱対流が密度成層下で物質濃度に依存した高さで浮力が釣り合い水平方向に流れていく様子が捉えられた。
本研究ではさらに、粒子法による計算によりカルデラ型実測海底地形周辺流を解析した。粒子法による流体計算は、気泡や微粒子などを含む多成分の移流や、熱水および物質噴出による海底地形の変化と流れ場が相互に作用する連成問題に適しているため、今後併用しながら流れ場の解析を進める。
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