渦層構造の動力学特性と不安定性に基づく乱流現象の解明

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乱流中には強い速度せん断を持つ層状の渦領域（渦層）が存在する。渦層は乱流の動力学特性において重要な役割を果たすことが予想されているものの、渦層の検出が困難であるためその詳細な調査が行われてこなかった。本研究では速度勾配テンソルのせん断成分を基に渦層位置・方向を求める新たな解析手法により渦層に関わる乱流現象を明らかにすることを目的とする。渦層検出には速度勾配テンソルを剛体回転、せん断、伸長ひずみの成分に分解する三成分分解を用いた。せん断成分により定義されるせん断強度により渦層を検出し、渦層位置におけるせん断成分の解析により渦層方向を同定する。渦層方向により定義される局所座標系において渦層のアンサンブル平均を求め、渦層近傍の流れ場を調査した。本手法を一様等方性乱流の直接数値計算データベースに対して適用し、渦層近傍の運動エネルギ輸送や乱流構造を調査した結果、渦層内部のせん断は剛体回転を伴う管状渦によって生じていることが明らかとなった。また、薄い層構造の維持において重要な圧縮歪みも渦層近傍の渦管により生じていることが示された。さらに、異なる二つの乱流間に形成される界面領域と渦層の関連を調査した。本研究では二つのメッシュサイズを持つ格子を並べて配置した乱流格子が生成する乱流場を解析対象とし、時間発展型格子乱流の直接数値計算を実施した。界面領域に渦層が多数存在しており、界面近傍の流れ場に渦層のせん断や歪みが影響を与えていることが示された。また、渦層は乱流エネルギの活発な散逸を引き起こすことが知られている。静的格子および動的格子乱流の風洞実験や安定密度成層下の時間発展型格子乱流の直接数値計算および理論解析を実施し、格子乱流中のエネルギ散逸率のスケーリング則・減衰則を明らかにした。