コリオリ力場における境界層遷移機構の解明

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壁面に直角方向にコリオリ加速度を受ける回転平板境界層の乱流遷移の機構を、可視化実験ならびにシミュレーションによって調べた。流路軸に直角な軸のまわりに回転する風胴内に平板を設置し、その上に発達する二次元境界層の遷移過程を、風胴の回転速度および回転方向を変えながら観察した。可視化は、平板前縁近傍に設けたスリットから、流動パラフィンの白煙を注入し、回転系に塔載した35mmカメラにより撮影した。写真をさらにビデオカメラにより撮影した後、デジタル画像データとして画像記憶装置に記録し、種々の画像処理を行った。その結果、(1)低圧面境界層の乱流遷移は、静止境界層と同様の乱流斑点の発生およびそれに対応した間欠的な乱れによって特徴付けられること、(2)高圧面境界層の遷移は静止場や低圧面境界層とは根本的に異なり、縦渦の発生およびその崩壊によって特徴付けられること、(3)高圧面境界層の摩擦係数が低レイノルズ数領域において回転数の増加とともに増大する傾向は、縦渦の発生に起因すること、(4)同じく高圧面境界層の摩擦係数が高レイノルズ数域で、レイノルズ数の増大と共に増加するのは、縦渦の崩壊に起因していることなどが明らかになった。さらに、Novier-Stokes方程式のスペクトル法による直接シミュレーションを行った。流れの物理量を主流方向および回転軸方向には、Fourior級数に、平板に直角方向にはChebyshev級数に展開した。数値計算は対流項にAdams-Bashforth法で陽的に、その他の項をCrank-Nicolson法で陰的に扱う準陰解法を採用した。その結果、層流速度分布に微小な攪乱を加えた流れから出発して、壁面近傍から新たな乱れ成分が成長して行く様子をシミュレートすることが出来た。