旋回流中のVortex breakdownの発生メカニズムの解明

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旋回流中のVortex breakdownの数値シミュレーションは、25年も前から行われているが、従来の数値シミュレーションでは、円管壁の起伏を設けない限り、すべて円管の上流端でVortex breakdownが生じている。しかし、室内実験ではそのような上流端に偏った発生は見られない。本研究では、従来の数値シミュレーションに見られた「上流端の渦」の起源の特定を行うため、まず、旋回流速を通常の円管内実験で得られるようなBurgers渦型にした時の数値計算を行った。その結果、「旋回方向の流体粘性」があれば、管の「上流端」にbreakdown bubbleが発生するのに対し、旋回方向の流体粘性が「ない」(オイラー方程式の解の場合)と、上流端には何も発生しないことを明らかにした。一方、旋回流速が剛体回転の場合には、粘性にかかわりなく上流端でのbreakdown bubble発生は見られなかった。これらのことは、従来の数値シミュレーションで得られたVortex breakdownの発生の起源は「旋回方向の流体粘性」にあって、Benjaminなどの「波」起源説などとはその発生自体に関しては全く無関係で、その起源は、流体の粘性効果による「Burgers渦に特有の流れの不安定性」にあることを示唆している。また同時に、従来の数値シミュレーションが、室内実験とは無関係の現象を「再現」していた可能性を示している。一方、「波」との関連については、旋回流速が大きい、すなわち、波の上流伝播速度が大きい場合に上流端でのbreakdown bubble発生が見られたことから、不安定性によって生成されたbreakdown bubbleの元となる攪乱が「波」によって上流へ運ばれ、それが管の上流端にたまっていくというメカニズムが強く示唆された。