非平衡相転移の観点から見たせん断流における乱流への遷移の研究

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平成29年度は、昨年度明らかになった、従来手法が非平衡臨界現象を示す系の相関長と相関時間を過小評価するおそれがある問題について、新たに推計統計学の知見を取り入れて、実験や数値計算で得られるデータから非活性状態の時間・空間間隔の長さの分布を求めるための新たな補正方法を構成した。また、Directed Percolation 普遍クラスという非平衡臨界現象の最も基本的な普遍クラスに属するモデルに対し、せん断流に由来する移流と境界条件の効果を取り入れた数値計算を行い、新たなスケーリング則を見出した。一連の成果は、乱流への遷移をはじめとした様々な遷移現象を非平衡相転移・臨界現象の観点から定量的に特徴づける方法を提供する。上記研究に並行して、チャネル以外の擬空間2次元の流れにおける乱流遷移を特徴づけ、臨界Reynolds数より高い領域での振る舞いを詳しく調べるため、2つの同軸回転円筒(Taylor-Couette セル)の間の流れについて、高さ方向にも長い場合における乱流への遷移現象を特徴づける計測・実験系をセットアップし、可視化実験を行った。その結果、遷移の臨界Reynolds数近傍では、チャネル流や高さ方向に短いTaylor-Couette流と同様に層流部分と乱流部分が間欠的に共存するダイナミクスが見られた。さらにReynolds数を上げていくと、流れが全体的に層流とは異なるものの、大規模な秩序構造も認められ、流れ全体が無秩序化するのを抑圧するメカニズムの存在が示唆された。類似したダイナミクスはパイプ流において理論研究で近年提案されており、本研究成果は、乱れが維持されるようになる臨界Reynolds数近傍から離れた領域においても、流れの形状のような系の詳細に依存しない普遍的なメカニズムがある可能性を示すものである。