軸流をともなう秩序渦の突発的な崩壊過程に関する研究

轴流有序涡突然崩溃过程研究

基本信息

批准号：
17740250
负责人：
高橋直也
金额：
$ 1.92万
依托单位：
The University of Electro-Communications
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、秩序渦構造の崩壊過程の解明を目的とする。大規模な長さスケールを持つ構造(秩序渦構造)の崩壊現象の解明は、自然界や工学問題に現れる乱流化現象の重要な一因と考えられる。自然界の代表的な秩序渦として、旋風、竜巻、台風などが代表的な例と言える。これらに共通の特徴は、大気中に現れる大規模な渦構造で、様々な被害を我々の生活に及ぼす点である。また工学的にも同様の特徴を持つ渦構造が存在する。代表的な例は航空機の翼端から発生する後曳き渦が上げられる。この渦は滑走路に溜まり、航空機の安全な離着陸を阻害するため、空港の離発着間隔の短縮の障害となっている。このように、秩序渦は我々の生活のいろいろな場面に様々な影響を及ぼすため、秩序渦構造の崩壊を制御することが不可欠である。このためには秩序渦の崩壊過程を3次元的に促え、その崩壊メカニズムを解明することが必要である。そこで本研究では、q-vortexの渦構造の崩壊過程を、理論解析と直接数理計算によって明らかにすることを目的とした。特に、予備実験において示唆された(1)秩序渦構造の大変形に伴う線型安定理論の前提条件の破綻と(2)突発的な崩壊過程の発生による数値的不安定性の抑制、の2点を改善し、両者の関係を理論的・数値的に明らかにすることを目的とした。本年度では、q-vortexのうち、臨海安定な場合について解析を行なった。この場合での軸流の誘導する線形不安定性の影響は小さいことが知られている。予備実験では、不安定な秩序渦の場合と異なり、秩序渦自身が徐々に崩壊していく特徴的な過程が促えられた。この結果を、16年度までに解析した「Lamb-Oseen渦の場合」、17年度で解析した「線型不安定な場合」について比較を行ない、軸流の景況について解析を行ない、類似点と相違点に着目した。類似点は、秩序渦の周囲の微細渦構造の軸対称化、および秩序渦内部の渦波の発生や攪乱発生と、それぞれに対応する統計的性質であった。一方で相違点も観察された。特に、秩序渦の表面付近に発生する微細な渦構造が観察された。この構造はトルネードと類似した構造であった。この構造の発生は、q-vortexの持つ軸流の影響を受けたためと考えられる。

这项研究旨在阐明有序涡流结构的崩溃过程。阐明具有较大长度尺度（有序涡流结构）结构的崩溃现象被认为是出现在自然和工程问题中的湍流现象中的重要因素。自然界中最常见的涡流涡流的典型例子包括旋风，龙卷风和台风。其中的一个共同特征是，它是一个大规模的涡流结构，出现在大气中，造成了各种损害我们的生活。也有工程学特征相似的涡流。一个典型的例子是由飞机的机翼提示产生的后拖涡。这种涡流积聚在跑道上，阻止飞机安全起飞和着陆，从而缩短了出发时间和到达机场之间的时间。因此，由于顺序涡流对我们生活中各种情况有多种影响，因此必须控制顺序涡流结构的崩溃。为此，有必要在三个维度上促进有序涡旋的崩溃过程并阐明倒塌机制。因此，这项研究旨在通过理论分析和直接数学计算来阐明Q涡流的涡旋结构的崩溃过程。特别是，目的是改善初步实验中建议的两个点：（1）线性稳定理论的假设的崩溃与有序涡流结构的大变形相关，以及（2）由于突然崩溃过程的发生以及两个理论之间的关系而导致的数值不稳定性。今年，我们分析了海洋稳定的Q-涡流病例。众所周知，在这种情况下，轴向流动引起的线性不稳定性的效果很小。初步实验鼓励了一个独特的过程，在该过程中，涡旋本身逐渐崩溃，这与不稳定的顺序涡流不同。比较了2016年分析的“ Lamb-Oseen Vortex案例”和2017年分析的“线性不稳定案例”的结果，并分析了轴向当前的业务状况，重点是相似性和差异。相似性是沿有序涡流周围的细涡流结构的轴对称性，分别是有序涡流内部涡流波的产生和干扰。另一方面，还观察到差异。特别是，观察到有序涡流表面附近发生的细涡流结构。这种结构类似于龙卷风的结构。该结构被认为是由于Q涡流的轴向流动的影响。