界面乱流の発生機構と構造に関する研究

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界面近傍の乱流の発生機構と構造について理論,実験,計算によって調べた。まず界面として空気と水の境界である自由表面について実験を行った。自由表面を貫通して進行する鉛直円柱まわりの粘性流場において表面波の界面の乱れと近傍の速度変動をそれぞれ波高計と熱膜流速計によって計測した。その結果乱れの発生は界面の勾配が正負逆転するところとほぼ一致しており、この乱れが界面固有の不安定性起因することが示された。さらの円柱後方における界面近傍の剥離流場が深さ方向に3次元的な変化を示し,速度変動のスペクトル解析の結果,水深の深いところでは円柱からの周期的な渦放出が支配的であるのに対して,界面付近ではこの周期的な現象が変形または抑制されていることがわかった。つぎにこのような界面の乱れを伴った非線形の強い流体現象を解明するための計算方法を開発した。変形する界面に適合する動座標系を用いてナビエ・ストークス方程式を有限体積法によって離散化する。界面の運動学的条件には界面上の格子点をその法線方向に移動させる新しい方法を提案した。この方法は格子点を再配置することなく,3次元の任意性のある界面の計状を表現することが可能であり,界面においても質量の保存性を備えている。2次元非線形水波の理論値と比較することによって,この界面条件の離散化の適切性と計算の収束性を検証した。さらに自由表面を貫通する鉛直円柱まわりの3次元粘性流の数値実験を行い,円柱後方の渦構造が自由表面波の強い影響を受けて3次元的に変形し,表面近傍で破壊していく過程を明らかにした。