Experimental Study on Transport Phenomena of Spatiotemporal Chaos Using Nematic Electroconvection

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これまで、液晶電気対流の時空カオスに混入した微粒子の運動を観測することによって、乱流拡散の性質を明らかにしてきた。今年度はさらに、時空カオスの1つであるソフトモード乱流に混入した微粒子に外力を加えることによって、易動度を測定した。通常のブラウン運動とは異なり、易動度は外力の大きさに依存した。この現象を、ランジュバン方程式とのアナロジーにより考察し、外力によって流れからのずれが生じるため、媒質の粘性の影響が変化することによって起こることを明らかにし、この影響を定量化した。ソフトモード乱流の対流構造の時間変化を測定し、流体の非線形性を変えるプラントル数に相当する実験パラメーターである印加電圧の周波数を変化させることによって、時間相関関数の関数形がどのように変わるかを調べた。その結果、低周波では空間構造が全体的に変化するのに対し、高周波では全体的な構造を保ったまま、内部で揺らぎが生じていることを明らかにした。また、この相違の発生機構を、ソフトモード乱流の理論モデルであるロスバーグ方程式を用いて考察した。液晶電気対流の時空カオスの1つである欠陥乱流による拡散の性質が、現象の観測の時間的細かさである粗視化時間を変えることにより、優拡散 → 劣拡散 → 通常拡散と変化することの機構解明を、理論モデルの数値計算によって試みた。その結果、対流ロールの振動する系で同様の拡散が現れることを確認し、振動対流系に普遍的な性質であることを明らかにした。液晶電気対流の準1次元系で生じる時空カオスである、角度偏向振動の理論モデルの作成を試みた。この振動が、液晶配向と対流ロールの向きに関する一種の反応拡散系であることに注目し、対流ロールが液晶配向と垂直になる電気対流効果と、液晶配向が対流から受ける粘性トルクという相反する効果によるフラストレーションによって生じることを明らかにした。