乱流混合層の小規模構造に関する研究

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本研究では,乱流混合層の直接数値計算(DNS)を行い,乱流遷移に伴い生じる小規模構造について検討した.複雑な乱流場から小規模構造を抽出するために,速度勾配テンソルの不変量解析を導入し,乱流中の小規模構造を速度勾配テンソルの第二不変量が負の値を示す領域として抽出することが可能であることを明らかにした.低Reynolds数乱流混合層において,これらの小規模渦構造は中心で乱流エネルギーの散逸を伴わない剛体回転の領域,すなわちvortex tubeであり,乱流エネルギーの散逸はこれらのvortex tubeの周囲で非常に大きな値を示すことを明らかにした.さらに,これらのvortex tubeの周方向速度分布はBurgers渦によって良く近似することが可能であり,その直径はTaylor microscaleであることを明らかにした.これらのvortex tubeのReynolds数に対する依存性を明らかにするために,高Reynolds数乱流混合層の直接数値計算を行い,低Reynolsd数の場合と同様な解析を行った.この結果,高Reynolds数乱流混合層においても同様なvortex tubeが存在すること明らかとなり,それらの特性も低Reynolds数混合層の場合と同様にTaylor microscaleの直径を有していることが明らかになった.さらに,本研究では乱流混合層において明らかにされた小規模構造の普遍性を検討するために,一様等方性乱流の直接数値計算を行い,一様等方性乱流中の小規模構造の解明を行った.その結果,一様等方性乱流においても正の第二不変量を持つ数多くのvortex tubeが存在し,乱流混合層の場合と同様にTaylor microscaleの直径を有し,その長さは積分長程度であることを明らかにし,このようなvortex tubeが普遍的な乱流の微細構造であることを示した.