大規模計算流体力学の応用による大振幅音波の伝播過程における強非線形現象の解明

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音波(超音波)の伝播にともなって現れる非線形現象に関するこれまでの理論的研究は,ほとんどすべて,波の振幅が比較的小さい場合以外には適用できない,いわゆる,弱非線形理論であった.本研究は,現時点ではその基本的なふるまいさえ十分には明らかにされていない大振幅の音波(強非線形音波)をとりあげ,大規模計算流体力学の数値解析手法を応用することによって,その伝播過程に,どのような強非線形の現象が出現するのかを明らかにすることを目的として行われた.とくに,今回調べた無限平板の正弦振動によって理想気体中に放射される有限振幅の平面音波の問題は,音波の伝播に伴う非線形現象を理解する上で,最も基本的かつ重要な問題である.この問題においては,放射される平面音波の振幅が大きいとき,衝撃波形成後に,波の伝播する方向に正味の質量流れ(音響流)が生じ,平板近傍の気体の密度が時間とともに低下することが,最近の研究代表者らの数値解析で既に明らかになっている.本研究では,平板が振動を開始してからさらに十分に時間が経った後の波動場を,とくに音響流の時間発展に注目して詳しく数値的に調べた.その結果,極めて長い時間が経過すると,近傍場に波長の数倍以上の大きさをもつ低密度・高エントロピー領域が形成されること,その領域の中には音響流は存在しないこと,その外には音響流が存在し,時間が経ってもほぼ一定の値を保ち続けること,さらに,低密度,高エントロピー領域の大きさはほぼ一定の割合で広がり続けること等が示された.この結果をもとに,今後,強非線形音波の音響流の物理的機構の解明に取り組んでいく予定である.