高シュミット数物質の乱流混合における微小スケール普遍性の実験的検証

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分子拡散が起こりづらい（=高シュミット数）物質が乱流中で混合されるとき，微小スケールに普遍的な濃度揺らぎの構造（粘性対流小領域）が存在することが理論的に予想されている．長年，この予想の検証が試みられてきたが，計測装置の空間分解能不足や，スパコンの計算性能不足のため，未だに普遍性の実証には至っていない．本研究では，申請者の開発した極めて高い空間分解能を持つ光ファイバ型LIF濃度計測装置を用いて，様々な乱流混合場で高シュミット数物質の濃度変動を計測することで，粘性対流小領域の存在，及びその普遍性を検証することを目的としている．本年度は，水路内に格子乱流場を生成し，上記の濃度計測装置を用いて格子下流の水路断面中心において物質濃度変動を計測する実験を実施した．計測対象は高シュミット数（3000程度）の蛍光染料である．計測は複数のレイノルズ数，複数の下流位置で行い，乱流物質混合の速度，すなわち濃度変動の減衰の速さに及ぼすレイノルズ数の影響を調査した．その結果，濃度変動パワースペクトルの形状は，粘性拡散領域においては格子からの距離やレイノルズ数によらずバチェラー変数により良くスケーリングされること，及びバチェラー型よりもクライチナン型に近い形状となることが明らかとなった．一方，粘性対流領域のスペクトルの傾きは，レイノルズ数が小さいほど理論で予測される－1よりも緩やかになることが明らかとなった．濃度変動の分散については，格子近くで急速に減衰し，下流ではレイノルズ数によらず減衰指数－1.2のべき乗減衰に漸近することが分かった．