成層流中における内部重力波の発生と乱流への遷移

分层流中内部重力波的产生以及向湍流的过渡

• 批准号: 03650146
• 负责人: 蒔田 秀治
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Toyohashi University of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
• 财政年份: 1991
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1991 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-03650146/
• 关键词: 成層流; 内部重力波; 乱流; 遷移; 混合層; 温度流速計; 温度成層形成装置

本研究室で開発された温度成層形成装置を用いることにより、風洞内に最大温度差Δθ=100Kの任意の安定度を有する成層流を精密に実現することができる。本研究によって得られた結果は以下の通りである。1.温度成層風洞に低乱流化・防振・消音などの改良を行い、次のような基本特性を得た。(1)騒音レベルを約15dB(A)減少させ、内部重力波の発生条件に対する音波などの外乱の影響を低減化された。(2)平均温度・速度分布の一様性がそれぞれ±0.25%以内、初期の温度・速度乱れ強度がそれぞれ0.1%及び0.14%程度で、二次元性が良好で、初期乱れの小さい成層流が実現された。(3)局所温度・速度勾配に基づく局所リチャ-ドソン数Ri=0.5のステップ状の温度分布を有する強安定成層流を実現し、その混合層内で自然発生・発達する内部重力波がはじめて風洞内で観測された。これらのことにより、内部重力波の自然発生・発達、さらにはその崩壊に伴う乱流への遷移過程を明確に観測することができた。2.次に自然発生した内部重力波の性質について詳細に調べた。その結果、(1)内部重力波が発達し、Thorpeが理論的に示した三波共鳴条件を満たす位置で、内部重力波の崩壊を示唆する逆勾配熱流束現象が認められた。これらのことから、波動の崩壊は従来の定性的結果から言われていたような波面の上下層で生じる剪断的不安定によるものではなく、波動の各成分間での相互干渉によって特定の成分が卓越的に発達したために起こるものと考えられる。(2)内部重力波の上限周波数であるBruntーVaisala周波数以下の周波数を持ち、極めて微小な振幅を有する初期擾乱が、混合層内で下流に行くに従って成長していくことが確認された。このことは、人工的に微小な温度または速度の擾乱を成層流に与えることで内部重力波の発生や過程を制御しうる可能性を示している。

The temperature stratification device developed in this laboratory is used to precisely realize the laminar flow with maximum temperature difference Δθ=100K and arbitrary stability in the wind tunnel. The results of this study are as follows: 1. Temperature Stratified Wind Tunnel: Low Turbulence, Vibration Isolation, Noise Reduction, Improvement, Secondary and Basic Characteristics (1)The noise level is reduced by approximately 15dB(A), and the effects of acoustic and external disturbances due to internal gravity wave generation conditions are minimized. (2)The uniformity of the average temperature and velocity distribution is within ±0.25%, the initial temperature and velocity disturbance intensity is about 0.1% and 0.14%, the quadratic property is good, and the initial disturbance is small and the laminar flow is present. (3)The temperature distribution in the temperature and velocity distribution is strongly stable, and the internal gravity waves are naturally generated and generated in the mixed layer. The natural generation and arrival of internal gravity waves are clearly measured. 2. Second, the nature of internal gravity waves generated by nature is carefully adjusted. The results are as follows: (1) The occurrence of internal gravity waves, Thorpe's theoretical results, the location of three-wave resonance conditions, the collapse of internal gravity waves, and the phenomenon of inverse heat flux are recognized. The result of qualitative analysis of wave surface and fluctuation is that the wave surface is unstable, and the components of wave surface and fluctuation interfere with each other. (2)The upper limit cycle number of internal gravity wave is determined by the number of cycles below Brunt Vaisala cycle number, the minimum amplitude, the initial disturbance, the downstream flow in the mixed layer, and the growth. The possibility of controlling the generation of internal gravity waves is shown by the disturbance of flow and velocity caused by artificial micro-temperature.

项目成果

蒔田 秀治: "内部重力波の特性(第1報)" 日本機科学会論文集.

Hideharu Makita：“内引力波的特性（第一次报告）”日本机械学会会刊。

蒔田 秀治: "安定成層流中の波動現象" 第23回乱流シンポジウム講演論文集(ながれ別冊). 10. 347-352 (1992)

Hideharu Makita：“稳定分层流中的波现象”第 23 届湍流研讨会论文集 (Nagare Bessatsu)。10. 347-352 (1992)。

H.Makita: "Spontaneous generation of internal gravity wave in a wind tunnel" Proc.of 4th IMA Conf.on Stably Stratified Flows,Guildford,England. (1992)

H.Makita：“风洞中内部重力波的自发生成”Proc.of 4th IMA Conf.on Stable Stratified Flows，Guildford，England。