Research on breakdown process of longitudinal vortices

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本研究の目的は，バブル型渦崩壊現象からスパイラル型渦崩壊現象への遷移過程の解明，バブル型渦崩壊現象につながる縦渦の膨張過程の解明の二点である．ここでは前者について①圧縮性流体且つ軸対称性の破れたバブル型渦崩壊の全体安定性解析・感度解析を行い，後者について②座標変換について不変な特徴量を用いて，縦渦の膨張及び渦崩壊の発生を特徴づけた．①まず基準流れについて，従来の手法に加えて軸対称性の破れを計算パラメータとして導入することで，軸対称性の破れたバブル型渦崩壊現象の基準解が新たに得られた．この結果を基準に，世界的に例がないフル三次元圧縮性流体の全体安定性解析・感度解析のプログラムを開発し解析を行った．結果，軸対称状態では渦崩壊領域上流に高い感度領域が見られ，非圧縮性流体における結果と良く一致することが確認された．一方，軸対称性の破れた状態では渦崩壊領域上流というのは同様だが，さらに渦崩壊領域内部に入り込む流線と渦崩壊領域に入り込まず周回する流線の境界（分離流線）付近で高い感度領域が存在すると示された．本研究は宇宙航空研究開発機構の大道勇哉博士と共同で行われ，これらの結果から渦崩壊現象の制御手法への応用が期待される．②縦渦の膨張からバブル型渦崩壊の発生にかけて，速さや速度勾配のテンソル不変量といった座標変換について不変な特徴量の分布に次のような特徴的な構造が見られた．・縦渦は回転の効果が強いためQ値（第二不変量）は大きな値を取るが，膨張によってその値が弱まる．（回転はしているため零にはならない．）・膨張領域の中心部には速度の停留点があるため，第三不変量の値が零となる面が必ず膨張領域を通る．これらの結果に基くと，渦崩壊現象の発生は縦渦の膨張を伴う淀み点の発生であることから，不変量のみを用いて渦崩壊発生の定義が出来ると示された．本結果から渦崩壊現象の自動検知への応用が期待される．