大気・海洋の境界層と渦のスピン・アップ、スピン・ダウン過程に関する実験的研究

点击翻译按钮获取中文摘要

底面が現実の地表面や海底面のように滑らかでなく起伏がある場合の境界層による渦のスピン・ダウン特性と、底面の起伏が励起する渦の内部構造を明らかにするために回転水槽を用いた室内実験を行った。実験では、直径1cm、高さ1cmの円筒(以下粗度と呼ぶ)を3cm間隔で格子状に底面に配置し、円筒の上蓋を回転台に相対的に回転台と少し異なった角速度で回転することにより、流体中に深さによらない順圧流を作り出した。流れの構造の測定には、PIVという、流体中に浮遊させた粒子のパターンの変形から水槽内の速度の空間分布を瞬間的に測定する測定器を回転台に搭載して用いた。このPIVで求めた接線方向速度の半径分布から粗度によって生ずる抵抗を求めたところ、内部の流体の回転速度は、その半径の局所的な上蓋の回転速度だけで決まっていることがわかった。測定された速度分布は、滑らかな底面のときに働くエクマン境界層による抵抗、回転流体に特有なテーラー柱の表面で働く粘性抵抗、慣性波の造波抵抗、円柱後方に生ずる後流による抵抗の4つの抵抗を考慮した理論モデルにより良く説明されることがわかった。上蓋の回転速度が大きいときには主として粗度後方に生ずる後流、回転速度が小さいときには主として慣性波の励起が抵抗を支配していることがわかった。後流が卓越するレジームについて更に詳細な実験を行ったところ、水槽内には異なる半径にドーナツ状の軸対称な流れのパターンが幾重にも形成されることを見つけた。更に、このドーナツ状の軸対称流れは、ある条件のもとで周方向に波型のパターンを持った流れに移行するという興味深い現象を見つけた。