粗面開水路流における渦の動的構造に関する実験的研究

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本研究は、乱流構造を調べるための測定技術の開発とそれによって得られるデータに基づいて粗面乱流構造を明らかにしようとするものであって、ここでは、次の二つのテーマに焦点を絞り、これらを推進している。(1)Particle Image Velocimetry("PIV")法の開発、(2)粗面開水路乱流構造に関する実験とデータの収集・解析課題(1)は、次のように進めている。これまでの殆どのPIV実験においては、ライトシートは主流に対して平行に照射されている。ところが、乱流境界層において流れ方向の渦構造(「縦渦」)が卓越し、これらの構造を解析するためには、横断面で照明した方が最適である。そこで、本研究では、横断面に照射できる装置を用意した。これは、Nd:YAGダブルパルスレーザー(Quantel社、仏国)光を用いて、トレーサー粒子の平均流れに合わせて主流方向にレーザーシートを移動する。現在この装置をstereo PIVに適用するため準備している。課題(2)については、次のように進めている。滑面開水路上の縦渦構造を明らかにするため、PIV実験を行った。ここで、上記のように流れを横断面で照明することによって、逆回転の渦ペアーの存在を確認できた。この染料パターンの画像解析の結果、縦渦の空間関係は、staggeredである。この構造は、1991年から米国のStanford大学等で行なわれた数値シミュレーションの結果によって推定されているが、本研究は、これに対して世界で初めて直接に実験的な証拠を得ていると考えている。さらに、王断面内のひずみおよび回転運動の二点相関の結果、乱流境界層が垂直方に対して斜めの構造を持つことを分かった。