Study of Instability and Turbulent Transition of Helical Vortices

点击翻译按钮获取中文摘要

本研究の目的は、らせん渦が不安定化し乱流遷移する過程と、遷移後の流れの性質を、物理的素過程としての不安定性に基づいて体系的に解明することである。らせん渦を特徴づける複数のパラメータ（太さ・捩り・軸流・本数・レイノルズ数）と擾乱の性質に対する依存性の全貌を明らかにする。令和4年度は、乱流遷移の端緒となる不安定性の全貌を明らかにすることを目的として、長波長不安定性による乱流遷移過程についての研究、さらに短波長不安定性による乱流遷移過程についての研究を行った。実験によれば、長波長不安定性によるらせん渦の大変形が相互誘導型の不安定性を誘発して乱流遷移を引き起こす可能性がある。まず線形化方程式の直接数値シミュレーションにより長波長不安定モードを求め、その構造と成長率が理論による予測に近いことを確認した。次に、得られた長波長不安定モードを微小擾乱として基本流であるらせん渦に加え、非線形方程式の直接数値シミュレーションを行った。その結果、らせん渦の一部が自分自身と切りつなぎを起こすことで、らせんのピッチが倍になる現象を発見した。同時に渦輪が形成され、らせん渦から分離して運動することもわかった。次に短波長不安定性による乱流遷移過程について、前年度得た結果を弱非線形理論により解明する研究を行った。楕円型不安定性の最も基本的なモードの場合に振幅方程式を導き、その係数をモード構造から計算した。これにより、非線形飽和の条件を導くとともに、らせんの渦核が直接乱流遷移するかどうかの判定条件を導き、弱非線形理論の結果と直接数値シミュレーションの結果を比較して、矛盾がないことを示した。以上の結果は、乱流遷移の過程と遷移後の流れの性質を明らかにするために重要なものである。