粘弾性流体クエット流の渦構造に着目した抵抗低減乱流および弾性乱流の統一的理解

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本年度では，当該研究の目的である壁面せん断流れの乱流抑制効果と粘弾性不安定性とのメカニズムを統一的理解を目指し，粘弾性不安定性の遷移現象に焦点を当てて調査を行った．粘弾性流体の平面クエット流れの数値シミュレーションと共同研究先のスウェーデン王立工科大学にて実施した可視化実験から，それぞれ粘弾性に起因する不安定性を発見した．数値シミュレーションからは他の系で報告されている弾性乱流で確認されている構造や速度分布に類似点を見出した．また，今回扱った平面クエット流れにおいては壁面近くの流れを層流状態から逸脱することなく乱れを生じることから，混合促進などの工学的な応用が期待できることが見込まれる．系に回転を加えたクエット流れの可視化実験においては，ニュートン流体では現れることのない不安定性を可視化することに成功した．その発生した不安定性の構造は，流れを特徴づけるレイノルズ数の大小と粘弾性流体の添加物濃度が高い場合と低い場合で異なる．レイノルズ数が比較的高く高濃度の場合には，乱流が抑制された抵抗低減流れで見られる流れ方向に引き伸ばされた構造が形成される．一方で，レイノルズ数が低く低濃度の場合には，流れ方向に傾いた構造を形成し，その構造の類似から弾性乱流との関連が示唆される．この関連性をより定量的に評価することを課題に残すが，乱流抑制効果と粘弾性不安定性の発生条件には，レイノルズ数と添加物濃度との２つのパラメータが重要な指標となる．これらの数値シミュレーションおよび可視化実験の成果をまとめたものは，それぞれ英文雑誌へ投稿することを予定している．