カオス移行過程におけるカルマン渦列の三次元構造

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一様流中で円柱を流れ方向に振動させると、円柱背後の渦列の構造は、円柱の振動条件によってきわめて秩序性の高い構造からカオス的な構造まで多様に変化する。本研究では、単純なカルマン渦列が円柱の振動によって複雑化(カオス移行)する過程を明らかにすることを目的として、渦列の可視化実験と速度変動の測定を同時に行い、以下の結論を得た。1.渦列の視覚的な三次元構造(レイノルズ数100〜300)は、円柱の無次元振動数fc/fv(fc/fv=0〜3.0,fc:円柱の振動周波数,fv:円柱静止時の渦放出周波数)の増大順に、SA型、(C)型、N型、NP型、P型、C型、SK型に分類できる。2.視覚的な渦列構造を参照し、測定点を適切に選んだ円柱直後の一点(x/d=3.0,y/d=1.0,x,y:円柱中心を原点に流れ方向をxとした座標)における速度変動のスペクトル分布が示す時間的不規測性(カオスの窓)は、円柱後流域に形成される渦列の視覚的構造(空間的不規則性)と良く対応し、可視化実験で見落しがちな長時間にわたる渦列構造の変化を知ることができる。3.速度変動スペクトルの主要なピ-ク周波数fpを、円柱の振動周波数fcと渦放出周波数fvを含むできるだけ少数の基本周波数の線形和で表示することを試みた。この表示に要する基本周波数の数が少ないほど、渦列の視覚的構造の秩序性は高い。4.fc/fv=2.3の場合には、スペクトル波数fpは広く分散し、fpを少数の基本波数の線形和で表示できず、渦列の視覚構造は不安定でカオス的微候(C型渦列)を示す。fc/fv=1.0〜1.4の場合も、渦列に二次的に発生するFingersの形成状況によって、上述のfc/fv=2.3の場合とカオス的微候を示すことがある((C)型渦列)。5.カオス的微候を示す渦列は、円柱の振動に同期して形成される秩序性のきわめて高い渦列(N型、NP型、P型)の発生条件に隣接する二つの比較的狭いfc/fvの範囲のもとに形成される。