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研究室だより Vol.10 後藤研究室

非線形力学領域 熱流体力学講座 流体力学グループ

流れによる輸送

教授・後藤晋、准教授・吉永隆夫、助教・渡邉陽介

 たとえばコーヒーに砂糖を溶かすとき、じっと待っているよりも、スプーンでかき混ぜた方がずっと速く溶けます。これは、分子運動による砂糖の拡散に比べて、流れによる移流の方が(とくに長距離の輸送に関して)効率がよいからです。このように、流れ、とくに乱れた流れ(乱流)による輸送や混合が強力であることは直感的には明らかですが、どのようなメカニズムで、この強い輸送や混合が維持されているのかは必ずしも明らかではありません。
kentayori_v10 そこで、我々のグループではスーパーコンピュータを用いた大規模な数値シミュレーション(右の図を参照)や室内実験を用いて、この複雑現象の解明に取り組んでいます。とくに、21世紀に入って「地球シミュレーター」や「京コンピュータ」に代表される国内の優れたスーパーコンピュータの出現により、乱流の研究は新しい時代を迎えました。つまり、実験室で実現されるのと同程度かそれ以上に発達した(高いレイノルズ数の)乱流がコンピュータ上でシミュレート可能になったからです。
 数値シミュレーションによれば、流れの詳細な3次元構造とその運動を正確に捉えることができます。私たちはこのメリットを最大限に活かして、輸送現象の本質を解き明かしました。乱流は、大小さまざまな渦の集合です。たとえば、右の図中には3つの異なる色で、異なる大きさの「渦」を可視化しています。具体的には、赤色が一番大きなスケールの渦、黄色が中間スケールの渦、青色が小さなスケールの渦を表します。このような可視化により、乱れた流れの中にも秩序立った渦が存在いることが分かります。しかも、これらを注意深く観察・解析すると、各スケールの階層で、これらの渦は互いに反対まわりに旋回するもの同士が近接して存在するという性質があることが分かりました。いわば、乱流中には、台所で使う「ハンドミキサー」、しかも大小さまざまなハンドミキサーが共存していることになります。これが、乱流が強い混合や輸送を生み出すメカニズムです。私たちは、この知見を活かした応用研究にも取り組んでいます。

流体力学グループ
http://fm.me.es.osaka-u.ac.jp/

Last Update : 2016/02/10