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

基本信息

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

项目摘要

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。

该研究项目的目的是获得有关由多个标量形成的密度分层流体中的湍流扩散现象的知识。特别是海洋中的密度层结主要是由热和盐形成的，称为温盐层结。这里，盐的扩散系数大约是热的扩散系数的1/100，并且盐的扩散规模(Batcheller规模)大约是热的扩散规模的1/10。即使由热和盐度的影响形成的垂直密度分布是静态稳定的，由于两者的扩散尺度的差异，已知会发生不稳定性和对流。这种对流称为双扩散对流，传统上通过线性稳定性分析来解释。在这项研究中，我们对温盐分层流体中的阻尼湍流进行了直接数值计算，并研究了小尺度不稳定性如何影响湍流的整体阻尼。迄今为止开展的线性稳定性分析是研究无穷小扰动的发展和衰减的方法，而本研究的特点是采用大规模数值计算来研究有限幅值扰动的非线性时间演化。今年，我们研究了流量对浮力比的依赖性，特别是从势能（与密度扰动的平方成正比的量）的角度。这里，浮力比是表示温度和盐度对密度分层的贡献率的参数。如果热分层或盐度分层不稳定，则会在温度扩散尺度附近产生势能。研究证实，当温度层结不稳定时，势能的产生仅限于衰减的初始阶段，而当盐度层结不稳定时，势能持续产生。特别是，在后一种情况下，经过很长一段时间后，形成了垂直拉长的密度分布（所谓的盐指），这表明在初始扰动衰减后，由于线性不稳定性，流动再次发展。