Turbulence transport in a density stratified fluid generated by multiple scalars: mechanism of differential diffusion and quantitative evaluation

多标量产生的密度分层流体中的湍流传递：微分扩散机制和定量评估

• 批准号: 21K03875
• 负责人: 沖野 真也
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03875/
• 关键词: 熱塩成層流体; 減衰乱流; 高シュミット数; ソルトフィンガー; 直接数値計算; 二重拡散対流; バチェラースケール; 密度成層乱流; LIF; PIV; 浮力レイノルズ数; パッシブスカラー; 差分拡散; 熱塩成層; 二重拡散; 直接数値シミュレーション; 乱流輸送

本研究課題の目的は、複数のスカラーによって形成される密度成層流体における乱流拡散現象についての知見を得ることである。特に、海洋における密度成層は主に熱と塩分によって形成され、熱塩成層と呼ばれる。ここで、塩分の拡散係数は熱の約1/100であり、塩分の拡散スケール（バチェラースケール）は熱の拡散スケールの約1/10となる。熱と塩分の両方の効果によって形成される鉛直密度分布が静的に安定であっても、両者の拡散スケールの違いに起因して、不安定性や対流が生じることが知られている。そのような対流は二重拡散対流と呼ばれ、従来、線形安定性解析によって説明されてきた。本研究では、熱塩成層流体における減衰乱流の直接数値計算を行ない、小スケールにおいて生じる不安定性が乱流全体の減衰にどのような影響を及ぼすかを調べた。これまでに実施されてきた線形安定性解析は無限小撹乱の発達・減衰を調べる手法であるのに対し、本研究では有限振幅撹乱の非線形的な時間発展を大規模な数値計算によって調べた点が特徴的である。今年度は、流れの浮力比依存性について、特にポテンシャルエネルギー（密度撹乱の二乗に比例する量）の観点から調査した。ここで浮力比とは、密度成層に対する温度と塩分の寄与率を表すパラメータである。温度成層または塩分成層のいずれかが不安定である場合には、温度の拡散スケール付近で、ポテンシャルエネルギーが生成される。温度成層が不安定である場合にはポテンシャルエネルギーの生成は減衰初期に限られるが、塩分成層が不安定である場合にはポテンシャルエネルギーは持続的に生成されることを確認した。特に後者においては、長時間後に鉛直方向に長く伸びた密度分布（いわゆるソルトフィンガー）が形成されており、初期撹乱が減衰した後に、線形不安定性により再度流れが発達したことを示している。

该研究主题的目的是获取有关由多个标量形成的密度分层流体中湍流扩散现象的知识。特别是，海洋中的密度分层主要由热和盐度形成，称为热催热分层。在这里，盐度的扩散系数约为热量的1/100，盐度的扩散量表（单身汉）约为热量扩散率的1/10。众所周知，即使由热和盐度的影响形成的垂直密度分布在静态稳定上，不稳定和对流也是由于两者之间扩散量表的差异而发生的。这种对流称为双扩散对流，以前已通过线性稳定性分析来解释。在这项研究中，我们对热盐分层流体中阻尼的湍流进行了直接的数值计算，以研究小规模上发生的不稳定性如何影响整体湍流的阻尼。到目前为止已经进行的线性稳定性分析是一种检查无限小扰动的发展和衰减的方法，而本研究的特征是，有限幅度干扰的非线性时间演化是通过大规模数值计算研究的。今年，我们研究了流量的浮力比依赖性，尤其是从势能的角度（与密度干扰的平方成正比的量）。在这里，浮力比是代表温度和盐度对密度分层的贡献率的参数。如果温度分层或盐度分层不稳定，则在温度扩散量表附近产生势能。已经证实，当温度分层不稳定时，势能的产生仅限于初始衰减，但是当盐度分层不稳定时，势能是连续产生的。特别是，在后一种情况下，长时间后在垂直方向形成了持久的密度分布（所谓的盐指），表明在初始干扰减弱后，由于线性不稳定性，该流量再次发展。

项目成果

成層せん断乱流の数値シミュレーション

分层剪切湍流的数值模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: Ayush Prajuli;Shinya Okino;Hideshi Hanazaki
• 通讯作者: Hideshi Hanazaki

Growth and decay of stratified and sheared turbulence

分层和剪切湍流的增长和衰减

• 发表时间: 2021
• 作者: A. Prajuli;A. Nakamura;S. Okino & H. Hanazaki
• 通讯作者: S. Okino & H. Hanazaki

高シュミット数のスカラーによって形成される密度成層流体中の減衰乱流に関する研究

高施密特数标量形成的稠密分层流体阻尼湍流研究

• 发表时间: 2021
• 作者: 望月信介;鈴木博貴;中村俊貴;沖野真也
• 通讯作者: 沖野真也

温度成層流体におけるパッシブスカラーの乱流拡散

温度分层流体中被动标量的湍流扩散

• 发表时间: 2021
• 作者: 沖野真也;花崎秀史
• 通讯作者: 花崎秀史

Small-scale density fluctuations in grid-generated turbulence in a salt-stratified fluid

盐分层流体中网格产生的湍流中的小尺度密度波动

• 发表时间: 2022
• 期刊: Proceedings of the 12th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
• 作者: Shinya Okino;Soichiro Minakami;Yuki Imanishi & Hideshi Hanazaki
• 通讯作者: Yuki Imanishi & Hideshi Hanazaki