極端に強い安定成層下での乱流の極限現象に関する研究

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09490029
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 植田 洋匡 京都大学, 防災研究所, 教授 (70026186)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 花崎 秀史 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (60189579) ; 烏谷 隆 九州大学, 応用力学研究所, 助手 (30150527) ; 辰野 正和 九州大学, 応用力学研究所, 助教授 (70038553) ; 堀口 光章 京都大学, 防災研究所, 助手 (60190253) ; 石川 裕彦 京都大学, 防災研究所, 助教授 (60263159)
• Keywords: 成層流 / 乱流 / 安定成層 / 内部重力波 / 逆勾配拡散 / 乱流拡散 / 乱流モデル / 線形理論

Research Abstract

極端に強い安定成層状態の乱流中では、フローパターンや拡散・混合機構大きく変化する。これらの現象では、いずれも乱流運動が粘性消散することなく波状運動へ変化していく機構が本質的な役割を担っていると考えられる。このような視点に立って、本研究では、強安定成層中に存在する乱流運動と波状運動の特性、乱流から内部波への遷移過程を調べて、強安定成層時の極限現象を統一的に説明することを目的とした。極限現象としては、アクティブスカラーの逆勾配(鉛直方向)拡散と、このときの水平方向拡散、また、逆勾配拡散場でのアクティブスカラーとパッシブスカラーの拡散機構の相違に着目し、逆勾配拡散場の波動、乱流の特性量とその時間的発展に注目した研究を行った。
剪断のない場合、強い安定成層場での逆勾配拡散は線形理論でかなりよく説明できることを示した。さらに、成層と剪断とが共存できる場合について、この線形理論、弱非線形理論を発展させて、上記の極限現象を説明することができた。このことから、強安定成層時の極限現象のかなりの部分は線形過程として説明できること、その時間発展に初期条件が大きな影響を与えることがわかった。
以上の結果に基づいて、乱流を平均流成分と波動、乱流変動の3つの成分の和と考える乱流クロージャーモデルの発展を試みた。波動成分と乱流変動成分の非線形項のモデリングを試み、それぞれの成分の特性についての室内実験結果をもとにモデル定数の決定を行い、安定成層流のクロージャーのモデリングを行った。

Research Products

• [Publications] Sha W.: "Numerical study on flow pass of a three-dimensional obstacle under a strong stratification condition"J. Appl. Meteorol.. Vol.37, No.10. 1047-1054 (1998)
• [Publications] Ueda H.: "Behavior of volatile components in urban aerosols"Proc of 6th Int. Conf. ASAAQ. (1998)
• [Publications] 烏谷 隆: "対流混合層の発達過程とその構造"九州大学応用力学研究所所報. No.85. 31-42 (1999)
• [Publications] 薩摩林 光: "中部山岳地域における二次粒子の挙動"大気汚染学会誌. Vol.33, No.5. 284-296 (1998)