2004 Fiscal Year Annual Research Report
剪断力の働く気液界面を通してのスカラー輸送機構の解明と輸送量の評価
| Project/Area Number |
14102016
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
小森 悟 京都大学, 工学研究科, 教授 (60127082)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長田 孝二 京都大学, 工学研究科, 講師 (50274501)
伊藤 靖仁 京都大学, 工学研究科, 助手 (40346078)
三角 隆太 横浜国立大学, 工学研究院, 助手 (40334635)
松本 充弘 京都大学, 工学研究科, 助教授 (10229578)
鈴木 靖 日本気象協会, 調査部・数理応用科, 課長(研究職)
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| Keywords | 風波乱流 / 気液界面 / 物質移動 / 熱輸送 / 温暖化予測 / 大気海洋相互作用 |
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| Research Abstract |
本研究の目的は、剪断力の働く風波気液界面を通しての物質と熱の輸送機構を、海洋のシミュレーション装置である風波水槽を用いた室内実験とスーパーコンピュータを用いた数値シミュレーションの両面から流体工学的に解明し、大気・海洋間の海水表面を通しての物質および熱の交換速度の正確な評価を可能にする物理モデルを構築することにある。昨年度までに、風波気液界面を通しての物質輸送に及ぼすうねりと降雨の影響を室内実験から明らかにした。プロジェクトの3年目に当たる本年度は、大気・海洋間での熱の輸送機構を解明し物質輸送との相似性の有無を室内実験から明らかにするとともに、直接数値計算(DNS)によるシミュレーションを通して風波壁面上の気側乱流構造と壁面抗力に及ぼすうねりの影響を明らかにした。得られたおもな知見は次の通りである。
1.風波乱流場において、液側熱伝達係数は風速との間に単純な比例関係を持たず、低風速域では風速とともに増加するが、中風速域では横ばいの傾向を示し、さらに高風速域では急激に増加する、という挙動を示す。これは風波気液界面を通しての物質輸送と同様の傾向であり、熱輸送と物質輸送には相似性が成立する。
2.うねりが存在する場合には、圧力抗力が増大することにより波状壁面に働く全抗力は増大するが、剥離流の形成により摩擦抗力は減少する。摩擦抗力は気流が液流に与えるエネルギを代表する値であることを考慮すると、うねりにより風波気液界面での物質交換速度が減少する原因は、摩擦抗力の減少により物質移動を支配する表面更新渦の発生が抑制されるためであると考えられる。また、実験的に求められる摩擦速度は、壁面に働く真の摩擦速度ではなく圧力抗力も含めた全抗力を代表する値となる。したがって、摩擦抗力の指標としての摩擦速度を、従来の評価法を用いて評価するのは適当ではない可能性がある。
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