伸長渦の流れ構造に関する研究

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これまで伸長渦はたつ巻や台風のモデルとして強い感心を集めてきた。特に最斤、発達した乱流の秩序構造に関連して壁面近傍に発生する縦渦列が伸長渦と同じ構造をもつものとして注目されている。しかし、これら渦流の、特にその定量的な特性は、3次元的な空間構造からくる困難さのために、今だ十分把握されていないように思われる。この研究の目的は乱流遷移の素過程の一つとして安定な伸長渦を実験的に作り出し、その流れ構造を明らかにすることである。またこれと共に、微小擾乱を加えたときの伸長渦の運動,ならびにその崩壊過程を観察,分析することである。伸長渦に関するこれまでの研究はもっぱら渦核の挙動が取り上げられ、その安定性に関する問題が中心的課題となっている。しかし、定常状態における特性をも十分に把握し、検討しておく必要があるので、以下に示す実験を行なった。回転容器中の流体(塩水,または水)に回転軸方向の流れをあたえ比較的安定した伸長渦を作り出すことができた。トレサー粒子法(ポリスチレン粒子)によって流れを可視化し、トレサー粒子の軌跡を写真撮影することによって渦流の速度分布を定量的に求めることができた。これらの実験結果、次のことが明らかになった。定常的な渦流の構造はその中心部に回転軸に沿うジェット状の強い流れがあり、それを取りまくように逆流する部分が存在する。また、流れ全体は回転軸を中心として比較的狭い範囲に集中して存在している。ポリスチレン粒子の軌跡から間接的に流速を求めるこの方法は渦流の中心部、および逆流を生じる部分で計測が困難になる欠点がある。しかし、概略の速度分布を比較的簡便に求めることが出来る点は評価できる。