超流動ヘリウム４の量子乱流における２流体結合ダイナミクスの理論的研究

超流氦4量子湍流中二流体耦合动力学的理论研究

基本信息

批准号：
16J10973
负责人：
湯井悟志
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Osaka City University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J10973/
关键词：
超流動ヘリウム量子流体力学量子渦量子乱流

项目摘要

2流体模型によると、超流動ヘリウム4は粘性の常流体と非粘性の超流体の混合流体として理解できる。超流体が乱流となった量子乱流状態では、2流体が互いの運動に影響を及ぼし合う。これにより、通常の単一粘性流体にはない興味深い物理が現れる。例えば、近年の可視化実験により観測された常流動速度場の変形がある。常流動速度場が通常のポアズイユ流から変形することがわかった。これは2流体結合ダイナミクスが起こしたものと予想され、興味深い。本課題の目的は、超流動ヘリウム4における2流体の結合ダイナミクスを探索することである。昨年度に引き続き、2流体結合ダイナミクスの数値計算を用いて研究を行なった。ここで、常流体はナビエ・ストークス方程式、超流体は渦糸模型で記述される。熱対向流における速度場の変形に関して、昨年度投稿した論文がPhysical Review Lettersに掲載された。本年度の研究結果を加えて、結果を国際会議QFS2018において発表した。また、量子乱流の減衰に関しても研究を行なった。本研究では、量子乱流のエネルギー注入を切って減衰させることで、そのエネルギー散逸を明らかにする。本研究は国外の実験グループとの共同研究であり、我々は数値計算を用いて貢献した。特に、今回の数値計算ではそれまで考慮されてこなかった管壁の効果を取り入れた。この研究結果は、Physical Review Bに掲載された。さらに、共同研究として、超流動の助走区間に関する研究も行なった。量子乱流は、流路の入り口から成長を始め、下流へ流れつつ発達していく。助走区間とは、乱流が十分発達するまでに流体が流れる区間のことである。本研究では、数値計算を用いて量子乱流の助走区間を調べた。用いた理論模型は、量子渦間スケールを粗視化したHVBK模型である。国際会議QFS2018において、この研究結果を発表した。

根据两流体模型，可以将超流体氦4理解为粘性普通液和非粘性的超氟的混合液。在超级流体变得湍流的量子湍流状态下，两种流体会影响彼此的运动。这提出了有趣的物理学，这些物理学在典型的单粘液中未发现。例如，在最近的可视化实验中观察到的正常流速度场的变形。发现正常的流速场因正常poiseuille流而变形。这有望由两流体耦合动力学引起，这很有趣。该任务的目的是探索超氟4中两种流体的结合动力学。去年，我们使用两流体耦合动力学的数值计算进行了研究。在这里，正常流体由Navier-Stokes方程描述，而超流体由Vortex模型描述。去年提交的有关热反电场速度场变形的论文发表在《物理评论》的信中。除了今年的研究结果，结果是在国际会议QFS2018上提出的。我们还对量子湍流的衰减进行了研究。在这项研究中，通过切断量子湍流的能量注入能量来揭示能量耗散。这项研究是与外国实验组的合作，我们使用数值计算做出了贡献。特别是，以前尚未考虑的管壁的效果已纳入当前的数值计算中。这项研究的发现发表在《物理评论B》中。此外，作为一个联合研究项目，我们还对超流体运行部分进行了研究。量子湍流从流道的入口开始生长，并在下游流动时发展。跑步部分是流体流动直到湍流充分发展的部分。在这项研究中，使用数值计算来研究量子湍流的运行间隔。所使用的理论模型是具有粗粒量子间尺度的HVBK模型。这项研究的结果在国际会议QFS2018上介绍。