回転場におけるマランゴニ対流に関する研究

旋转场中马兰戈尼对流的研究

• 批准号: 61550148
• 负责人: 横谷 定雄
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
• 财政年份: 1986
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1986 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-61550148/
• 关键词: マランゴニ対流; 表面張力; 地球大気模擬実験; 波動流; マランゴニ数; レーリー数; ロスビー数

地球物理の分野で従来から行なわれてきた地球大気模擬実験と同様に回転場において二重円筒液槽を用い、内外円筒壁の液面近傍のみを加熱・冷却して自由表面に温度勾配を与え、マランゴニ対流が卓越した流れを発生させる実験を行なった。また、この現象に関与する物理量の次元解析および支配方程式から導出されたロスビー数に関するオーダーの検討も合せて行ない、次の結果を得た。なお実験では試験液に動粘度1または10センチストークスのシリコンオイルと純水を用い、流れをアルミ粉で可視化し、実験装置と共に回転する糸から写真撮影することによって流れの様子を観察した。試験液と加熱・冷却部の接触高さを小さくして密度差対流を非常に抑制した場合でも、密度差対流を扱った地球大気模擬実験で観察されている幾何学的な多角形型の流れが観察され、したがってマランゴニ対流が卓越した流れにおいても多角形型の流れが実現されうることを確認した。他の実験条件の場合も含め本実験で観察された流れは、地球大気模擬実験の場合と同様に次の3種類に分類されることがわかった。すなわち、(1)多角形型の定常波動流(2)うずまき状の定常軸対称流(3)乱れたような不規則波動流である。そして定常波動流において生ずる波数まで考えると、シリコンオイルの場合の結果はマランゴニ数を用いてよく整理され、マランゴニ対流が流動様式に対し、強い影響を与えていることがわかった。これに対し純水の場合の結果はレーリー数を用いるとよく整理された。なお純水にはある種の特殊性があると過去に報告されており、本実験でも回転させない場合の観察から、純水ではマランゴニ対流が顕著に発生しているとは思えず、少なくとも本実験条件内では密度差対流が流動様式に強い影響を与えていると考えられる。今後、各流動様式の発生限界および定常波動流の発生のメカニズムを探る必要があると思われる。

与地球物理领域传统上进行的地球大气模拟实验类似，在旋转场中采用双层圆筒液体罐，仅对内外圆筒壁上靠近液面的区域进行加热和冷却，以产生温度。自由表面上的梯度进行了一项实验，其中马兰戈尼对流产生主导流动。我们还对这一现象所涉及的物理量进行了量纲分析，并检验了从控制方程导出的罗斯贝数的阶数，得到了以下结果。实验中，我们使用运动粘度为1或10厘沲的硅油和纯水作为测试液体，用铝粉可视化流动，并通过实验设备旋转的螺纹拍照来观察流动情况。即使当通过减小测试液体和加热/冷却部分之间的接触高度来极大地抑制密度差对流时，在处理密度差对流的地球大气模拟实验中观察到的几何多边形流也被观察到，从而证实可以实现多边形流。即使在马兰戈尼对流占主导地位的流动中也能实现。结果发现，本实验中观测到的流动，包括其他实验条件下的流动，与地球大气模拟实验一样，分为以下三种类型。换句话说，(1) 多边形稳定波流，(2) 螺旋稳定轴对称流，以及 (3) 湍流不规则波流。当考虑稳定波流中出现的波数时，使用马兰戈尼数很好地组织了硅油的结果，并且发现马兰戈尼对流对流动模式有很大影响。另一方面，使用瑞利数很好地组织了纯水的结果。此外，过去曾报道纯水具有某些特殊特性，并且根据本次实验中没有旋转的观察，马兰戈尼对流似乎不太可能在纯水中显着发生，至少在本次实验中是这样。密度差对流对这些条件下的流动模式有很大影响。未来有必要探索每种流型的产生极限以及稳态波流的产生机制。