大気・海洋の境界層と渦のスピン・アップ、スピン・ダウン過程に関する実験的研究

大气-海洋边界层自旋和自旋向下过程及涡旋的实验研究

基本信息

批准号：
02F00803
负责人：
新野宏
金额：
$ 0.64万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-02F00803/
关键词：
回転流体境界層粗度要素地形効果慣性波地衡流差分回転

项目摘要

底面が現実の地表面や海底面のように滑らかでなく起伏がある場合の境界層による渦のスピン・ダウン特性と、底面の起伏が励起する渦の内部構造を明らかにするために回転水槽を用いた室内実験を行った。実験では、直径1cm、高さ1cmの円筒(以下粗度と呼ぶ)を3cm間隔で格子状に底面に配置し、円筒の上蓋を回転台に相対的に回転台と少し異なった角速度で回転することにより、流体中に深さによらない順圧流を作り出した。流れの構造の測定には、PIVという、流体中に浮遊させた粒子のパターンの変形から水槽内の速度の空間分布を瞬間的に測定する測定器を回転台に搭載して用いた。このPIVで求めた接線方向速度の半径分布から粗度によって生ずる抵抗を求めたところ、内部の流体の回転速度は、その半径の局所的な上蓋の回転速度だけで決まっていることがわかった。測定された速度分布は、滑らかな底面のときに働くエクマン境界層による抵抗、回転流体に特有なテーラー柱の表面で働く粘性抵抗、慣性波の造波抵抗、円柱後方に生ずる後流による抵抗の4つの抵抗を考慮した理論モデルにより良く説明されることがわかった。上蓋の回転速度が大きいときには主として粗度後方に生ずる後流、回転速度が小さいときには主として慣性波の励起が抵抗を支配していることがわかった。後流が卓越するレジームについて更に詳細な実験を行ったところ、水槽内には異なる半径にドーナツ状の軸対称な流れのパターンが幾重にも形成されることを見つけた。更に、このドーナツ状の軸対称流れは、ある条件のもとで周方向に波型のパターンを持った流れに移行するという興味深い現象を見つけた。

利用旋转水箱来阐明当底面不光滑且有起伏时，例如地球或海底的真实表面，边界层引起的涡旋的自旋下降特性，以及激发的涡旋的内部结构通过底部表面的起伏进行了实验室实验。实验中，将直径为1厘米、高为1厘米（以下简称粗糙度）的圆柱体以3厘米的间隔排列在底部，呈网格状，并以一定角度旋转圆柱体的顶盖。相对于旋转台的速度与旋转台的速度略有不同，这在流体中产生了与深度无关的正压流。为了测量流动结构，我们使用了一种名为 PIV 的测量仪器，该仪器安装在旋转台上，通过悬浮在流体中的颗粒图案的变形来即时测量水箱中速度的空间分布。当我们根据PIV确定的切向速度的径向分布计算粗糙度引起的阻力时，我们发现内部流体的转速仅由上盖在该半径内的局部转速决定。测量的速度分布是由于底面光滑时作用的埃克曼边界层的阻力、旋转流体特有的作用在泰勒柱表面的粘性阻力、惯性的波形成阻力等因素造成的。人们发现，这可以通过考虑四个阻力的理论模型来很好地解释。研究发现，当上盖转速较高时，主要由粗糙度后面产生的尾流占主导地位，而当转速较低时，阻力主要由惯性波的激发主导。当对尾流占主导地位的情况进行更详细的实验时，我们发现在水族箱内的不同半径处形成了许多环形、轴对称的流动模式。此外，我们还发现了一个有趣的现象，在一定条件下，这种环形轴对称流动会转变为圆周方向呈波浪形流动。