熱伝導における相加性原理を用いた乱流ゆらぎの定式化

使用热传导中的可加原理制定湍流脉动

• 批准号: 20J20079
• 负责人: 田之上 智宏
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J20079/
• 关键词: 乱流; 情報熱力学; カスケード; エネルギーカスケード; XYモデル; スピン乱流; 超流動; 臨界現象

十分発達した3次元流体乱流では、外力によって注入されたエネルギーが小スケールへと入れ子のように保存的に輸送されるカスケード現象が生じる。それに伴って、エネルギー注入が卓越する大スケールに比べて十分小さいスケールにおいて速度場の統計的性質が大スケールの詳細によらない普遍的振る舞いを示す。この普遍性は、エネルギーカスケードによって大スケールの詳細な情報が「忘却」されることによって生み出されていると直観的に理解されている。その一方で、いくつかの数値計算は小スケール渦のゆらぎが大スケール渦のゆらぎに時間遅れで追随していることを示している。これは情報の観点から捉えると、大スケール渦の情報が小スケール渦へ伝達されていることを示唆していると予想される。本研究では、乱流ゆらぎにおける普遍性の創発メカニズムに迫るべく、情報熱力学を応用することでこの予想を証明した。具体的には、ゆらぐ流体方程式を簡単化したゆらぐシェルモデルに対して、大スケール速度場の情報がカスケードに伴って小スケールへと伝達されていることを示した。この情報伝達率は最大渦のいわゆる旋回時間で特徴づけられ、情報伝達が渦の引き伸ばしによって行われていることを示唆している。また、情報伝達率のエネルギー効率は典型的なMaxwellの悪魔に比べて極めて低いことが数値計算によって判明した。これは大スケールから小スケールへ情報を伝達するのに莫大な熱力学的コストを要することを意味している。

在发育良好的三维流体湍流中，会发生级联现象，其中外力注入的能量以嵌套方式保守地传输到较小的尺度。因此，与能量注入占主导地位的大尺度相比，速度场的统计特性在足够小的尺度上表现出普遍的行为，与大尺度细节无关。这种普遍性被直观地理解为是由能量级联“遗忘”大规模详细信息而产生的。另一方面，一些数值计算表明，小尺度涡的涨落跟随大尺度涡的涨落有一定的时间延迟。从信息的角度来看，这预计表明来自大尺度涡流的信息被传递到小尺度涡流。在本研究中，我们应用信息热力学来证明这一猜想，以研究湍流脉动普遍性的涌现机制。具体来说，对于简化脉动流体方程的脉动壳模型，我们表明大尺度速度场中的信息会随着级联传递到小尺度。这种信息传递速率的特征是所谓的最大涡旋的转动时间，这表明信息传递是通过拉伸涡旋来进行的。此外，数值计算表明，与典型的麦克斯韦魔鬼相比，信息传输率的能量效率极低。这意味着将信息从大尺度传递到小尺度需要巨大的热力学成本。

项目成果

乱流カスケードにおける情報伝達の情報熱力学的限界

湍流级联中信息传递的信息热力学极限

• 发表时间: 2022
• 作者: Kamei Yasutomi;Hatazawa Yukino;Uchitomi Ran;Yoshimura Ryoji;Miura Shinji;西塚孝平;田之上智宏
• 通讯作者: 田之上智宏

Onsagerの理想乱流理論による量子乱流の理論的解析

使用 Onsager 理想湍流理论对量子湍流进行理论分析

• 发表时间: 2020
• 作者: 田之上智宏

Reply to "Comment on 'Theoretical analysis of quantum turbulence using the Onsager ideal turbulence theory'"

回复“评论‘使用Onsager理想湍流理论对量子湍流进行理论分析’”

• DOI: 10.1103/physreve.105.027102
• 发表时间: 2022
• 期刊: Physical Review E
• 影响因子: 2.4
• 作者: Yuka Kataoka;Tomohiro Tanogami
• 通讯作者: Tomohiro Tanogami

XY model for cascade transfer

级联传输的 XY 模型

• 发表时间: 2022
• 期刊: Physical Review Research
• 影响因子: 4.2
• 作者: Tomohiro Tanogami;Shin-ichi Sasa
• 通讯作者: Shin-ichi Sasa

Theoretical analysis of quantum turbulence using the Onsager ideal turbulence theory

使用 Onsager 理想湍流理论对量子湍流进行理论分析

• DOI: 10.1103/physreve.103.023106
• 发表时间: 2021
• 期刊: Physical Review E
• 影响因子: 2.4
• 作者: Kohei Morimoto;Daichi Kitagawa;Hikaru Sotome;Syoji Ito;Hiroshi Miyasaka;Seiya Kobatake;Yuka Kataoka;Tomohiro Tanogami
• 通讯作者: Tomohiro Tanogami