渦の階層から探る壁乱流の物理とそれに基づく工学応用

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２種類の十分に発達した壁乱流（乱流境界層および平行平板間乱流）の大規模数値シミュレーションを実行し、得られたデータを徹底的に解析することで、壁乱流中に潜む渦の階層の実態とその生成維持機構を明らかにした。具体的には、得られた壁乱流の巨大な数値データをそのまま扱うのではなく、渦の大きさ毎に分解することで、大小さまざまな渦の階層の詳細な解析を可能にし、多くの重要な知見を得た。たとえば、十分に発達した壁乱流中において、各高さにおける最も大きな構造（つまり、壁面からの距離程度の構造）は、流れ方向を向く縦渦（もしくはヘアピン状の渦）と流れ方向に伸びたストリーク構造によって構成される。これらの秩序構造は、自己維持的に共存し、平均流からエネルギーを受け取る。一方で、それより小さな渦は、より大きな渦による渦伸長により生成される。このとき、エネルギーも同時に伝達される。つまり、いわゆるエネルギーカスケード現象が、壁乱流中の対数層における小さな渦の生成機構であることを数値的に実証した。さらに、高レイノルズ数の平行平板間乱流中の慣性粒子の数値シミュレーションを新たに実行し、渦の階層に基づく解析を行うことで、乱流輸送現象を明らかにした。具体的には、渦とストリーク構造の階層を客観的に同定することで、粒子の輸送に対して秩序構造の階層が果たす役割を明らかにした。慣性粒子は、エアロゾルや気泡の簡易なモデルでもあり、本研究で得られた乱流輸送に関する知見は、工学応用に直結する。