密度流先端部の流動形態とその制御方法に関する研究

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密度が僅かに異なる流体が接近流(対向流)中に侵入するとき,侵入流体の先端部の流動形態は侵入力と密度境界面に作用する界面せん断力とがつり合う「密度楔」,あるいは,侵入力と先端部に作用する形状抵抗とがつり合う「密度カレント」のいずれかになる.この問題について,少数の理論的・実験的研究が過去になされ,密度流先端部の流動形態は接近流の流速分布に依存するとされている(具体的には,密度流侵入部の接近流の運動量が一様流速分布の場合に比べて欠損している場合には密度楔,過剰な場合には密度カレントとなる).しかしながら,筆者らの予備実験において,密度流侵入部の接近流の運動量が過剰であっても密度楔が出現しうることが発見され,上記の知見が否定された.本研究では原点に立ち戻り,接近流(対向流)中に侵入する二次元定常密度流の流動形態について実験的に詳しく検討を行い,以下の結論を得た.放出流量が大きい密度流では,その侵入長が密度フルード数によって決まる値(取りうる最大値)をとる(侵入長が非常に大きくなる).そのため,密度流の侵入力と密度境界面に作用する総界面せん断力とがつり合い,流動形態は流れ全体が密度楔である「完全密度楔」となる.この場合には,接近流の流速分布はもはや流動形態を支配する要因ではない(流動形態は接近流速分布にかかわらず,完全密度楔に限定される).一方,放出流量が小さい密度流ではその侵入長は短く,先端部付近の流動形態は接近流の流速分布によって決定される.つまり,密度流侵入部の接近流の運動量が欠損している場合には密度楔が,過剰な場合には密度カレントが出現する(この場合には,既往の知見が成り立つ).