発達した熱乱流中の速度場構造と境界層構造の解明

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本研究の主題は、熱対流の乱流に関する研究であり、液体金属である水銀を用いてレイノルズ数の高い乱流状態を実現し、乱流中の構造とダイナミクスを明らかにすることである。実験は、アスペクト比が0.5の円筒形の容器に満たされた水銀を用い、上下面に温度差を加えることで熱乱流を発生させる。測定方法としては、超音波ドプラー法を用いて乱流中の速度場を瞬時に測定する手法を採用した。多点同時計測により、速度場の3次元の空間分布を明らかにする目的で、超音波トランスデューサーを同時に複数本用いて測定系の改良を行った。また、これまでは容器を貫通させ、トランスデューサを水銀に接触させ測定を行ってきたが、その方式では測定する箇所を変えるたびに容器を加工する必要があり、任意の場所の計測は困難であった。Bienia氏は、水銀とステンレス、さらにトランスデューサーの音響インピーダンスの差が比較的小さいことに着目し、容器を貫通せずに外部から測定する方法を開発した。さらに、ステッピングモーターによりトランスデューサーを移動させながら測定し、容器の2次元断面の速度分布を得ることに成功した。これら測定方法の改良により、熱乱流中に生じる平均流の構造とダイナミクスを測定することが可能となった。その結果、平均流の構造はロール構造に近く、回転の向きが反転する現象を観測した。その反転の平均時間間隔は、これまで見つかった他の流体における反転時間に比べてかなり短い。このことは低プラントル数流体の特徴と考えられる。地磁気の反転が低プラントル数流体である溶融鉄の対流によるダイナモ効果とその反転現象に起因していると考えられていることを考慮すると両者の関係はさらに興味深い。この研究で得られた成果は、今後まとめた後、出版する予定である。