磁気流体力学との類似性に着目した粘弾性流体の流れのモデル化と流れ場の解明

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本研究は，磁気レイノルズ数が大きい宇宙空間のプラズマの流れと，高デボラ数の粘弾性流体の流れの支配方程式の類似性に着目して，磁気流体力学的な描像に基づく粘弾性流体の流れのモデルを構築し，物体まわりの流れに見られる特異な流動現象のメカニズムを解明することを目的としている．令和4年度は，偏光撮像素子を搭載したカメラを導入し，複屈折を利用して流体中の主応力差と主応力の方向の分布を可視化するシステムを構築した．また，応力テンソル場の可視化手法の開発を行い，グリフやテクスチャー，ハイパーストリームラインによって，粘弾性流体中の張力の振る舞いを可視化できるようにした．いくつかの興味ある問題について以下の研究を実施し，磁気流体力学に見られる特徴，とりわけ張力を持つ磁力線や，磁場の凍結，リコネクションとの関係に着目した研究を行った．(1) 粘弾性をもつひも状ミセル水溶液を用いて，球や円柱まわりの流れを実験的に調べた．球を自由落下させる実験では沈降速度の急変現象が現れ，偏光撮像素子を搭載したカメラで撮影した画像から，急加速時に球背後の応力が減少することが明らかになった．(2) 高デボラ数での数値シミュレーションでは，円柱列背後の流れに張力のリコネクションを伴う現象が確認される．ハイパーストリームラインやテクスチャーを使った可視化によって応力テンソル場の特徴を抽出し，特異点の配置とリコネクションとの関係を明らかにした．(3) 回転する物体まわりの流れについて，巻き締め張力の効果や速度分布への影響を実験と数値シミュレーションによって調べた．(4) 一様せん断流中で流線は張力を持つようになる．一様せん断流中での臨界層や，一様せん断流中に置かれた物体からの渦度伝播について，主として数値シミュレーションによる研究を行った．