密度成層化した2液層の不安定化に伴う特異対流発生のメカニズムに関する研究

本研究は、初め容器内で安定な成層を形成していた密度を異にする2液層が、容器壁を通しての外部からの熱の侵入、2液層界面での熱・物質移動、および上層自由液面からの蒸発などによって不安定化し、ついには上下層の混合に至る現象、すなわちロールオーバー現象の発生メカニズムの解明を最終的な目標とするものである。とくに、ロールオーバー発生の要因の一つである鉛直側壁面に沿う上昇流の、下層液から上層液への貫入現象に着目し、初期には貫入が上下液層の境界面で一様には起こらず、一定の間隔をもった筋状の上昇流が観察されるという特異な現象の発生条件とその流体力学的メカニズムの解明を目的とするものである。本研究では、アクリル樹脂製の直方体容器内に濃度の異なる食塩水により密度成層を形成させ、容器の鉛直壁の一つを加熱面として2液層内にそれぞれ独立した対流を発生させ、流れのパターンを可視化観察し、また温度分布を測定した。流れの可視化のためには下層液をメチレンブルーで着色し、加熱壁と相対するアクリル壁を通して下層液が上層液中に貫入する過程をカメラによって記録した。このような実験により、上述の筋状対流の発生条件、筋状対流が不安定化し波状対流に移行する条件、さらに波状対流から全面的な貫入に移行する条件などを明らかにした。

本研究は、初め容器内で安定な成層を形成していた密度を異にする2液層が、容器壁を通しての外部からの熱の侵入、2液層界面での熱・物質移動、および上層自由液面からの蒸発などによって不安定化し、ついには上下層の混合に至る現象、すなわちロールオーバー現象の発生メカニズムの解明を最終的な目標とするものである。とくに、ロールオーバー発生の要因の一つである鉛直側壁面に沿う上昇流の、下層液から上層液への貫入現象に着目し、初期には貫入が上下液層の境界面で一様には起こらず、一定の間隔をもった筋状の上昇流が観察されるという特異な現象の発生条件とその流体力学的メカニズムの解明を目的とするものである。本研究では、アクリル樹脂製の直方体容器内に濃度の異なる食塩水により密度成層を形成させ、容器の鉛直壁の一つを加熱面として2液層内にそれぞれ独立した対流を発生させ、流れのパターンを可視化観察し、また温度分布を測定した。流れの可視化のためには下層液をメチレンブルーで着色し、加熱壁と相対するアクリル壁を通して下層液が上層液中に貫入する過程をカメラによって記録した。このような実験により、上述の筋状対流の発生条件、筋状対流が不安定化し波状対流に移行する条件、さらに波状対流から全面的な貫入に移行する条件などを明らかにした。