逆圧力勾配乱流境界層における組織構造の解明

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逆圧力勾配乱流境界層を支配する準秩序構造を実験的に解明するために,熱線による多点同時計測システムの開発を行った.また,圧力勾配の影響を定量的に調べるために,乱流エネルギの収支やスペクトル解析を零圧力勾配乱流境界層との比較を行って調べた.その結果,逆圧力勾配乱流境界層における特徴として,以下に示す事実が明らかになった.1.壁近くにおける零圧力勾配と逆圧力勾配乱流境界層のパワースペクトルを比較すると,圧力勾配の作用により,壁面近傍から境界層の中間領域にかけて乱れの高波数成分(小スケールの乱れ)の減少する傾向が確認された.2.乱流エネルギの輸送方程式に対するエネルギ収支を解析した結果,境界層外縁部における乱れの生成は圧力勾配の影響はほとんど受けないことが分かった.また,壁近傍では,圧力勾配の影響を受けて乱れの生成が減少するが,その際に生じる乱れエネルギの不足分は境界層外縁部から乱流拡散と対流項によって運ばれる乱流エネルギで補われることが明らかにされた.この事実は,圧力勾配の増加に伴い,壁方向に高速流体が流れ込むスウイ-プ現象により境界層が支配されることを意味する.3.乱流拡散による境界層外縁部から壁近傍領域に向かう乱流エネルギ輸送は,大規模スケールを有する構造によって行われることが,確率密度関数や高次モーメントに対するスペクトル解析によって明らかにされた.つまり,1.で示した事実は,壁近傍において大規模構造によるエネルギ供給がエネルギ保有渦よりもより低波数側で行われ,エネルギスペクトル全体が低波数側にシフトした結果を反映しているものと推測される.