Effect of the centrifugal force on laminar-turbulent transition on a rotating cone

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滑らかな流れ(層流)から乱れた流れ(乱流)への遷移は，壁面摩擦，熱伝達，流れの剥離などの性質を著しく変えるため，流体機械，輸送機械の効率に直結する問題として研究されてきた．これらの製品は高度な研究開発を経て複雑な曲面を有しているが，一般的な３次元曲面に発達する境界層流れの乱流遷移を扱った基礎研究は少なく，最適設計の障害になっている．本研究は，３次元境界層の代表例である回転円錐上に発達する流れの渦構造とその崩壊による乱流遷移過程を光学計測を通じて解明する．頂点角度のみで幾何形状が決まる回転円錐は単純なモデルながら，頂点角度によって，横流れ不安定性による螺旋型の渦，遠心力不安定性によるリング型の渦と曲面上流れを代表する異なるタイプの渦を発生させることが知られている．本研究では，(A)遠心力による渦の崩壊作用，(B)崩壊を抑制する軸方向流れに注目し，渦の崩壊における力学的な共通原理を明らかにすることを目的とする．2022年度は，軸方向流れを導入できる信州大学の曳航水槽での実験用の回転円錐モデルを設計，製作し，現在，可視化による定性的な傾向を掴む予備実験を行っている．また，これまでの実験によって得られた半頂角が0度(回転円柱)，30度，60度,90度(回転円盤)のデータの処理を横断的に行った．これらのケースは，これまで，個別に評価されることが多く，その相違点，遷移や不安定性における共通点に着目されることが少なく，論文出版，学会発表に繋がった．