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。

进行了使用旋转水族馆的室内实验，以阐明当底部表面不光滑且波动的旋转特性，例如实际的地面或海底表面，以及涡流底部表面上的涡流的内部结构。在实验中，直径为1 cm且高度为1 cm（以下称为粗糙度）的圆柱体以晶格的方式以3 cm的间隔放置在底部，并且在旋转平台上，在旋转平台上旋转圆柱体的顶部盖子在旋转平台上旋转，与旋转的旋转速度略有不同，从而旋转了旋转的旋转，从而产生了一个不受欢迎的依赖性依赖性依赖性的依赖性依赖性依赖性依赖性依赖性。为了测量流动结构，PIV是一种测量仪器，该仪器可以立即测量水族馆内速度的空间分布，从悬浮在流体中的颗粒的变形，将其安装在旋转桌上。当根据该PIV确定的切向速度的半径分布计算出粗糙度产生的电阻时，发现内部流体的旋转速度仅由半径上盖的局部旋转速度确定。已经发现，测得的速度分布可以通过一个理论模型来更好地解释，该模型考虑了四个电阻：由埃克曼边界层引起的电阻，该电阻作用在光滑的底部表面上，在泰勒柱表面上作用于泰勒柱的表面，这是由旋转流动的旋转电阻和尾流的波动阻力引起的，该电阻造成的尾流和尾流造成的旋转引起的速度是循环的，该电阻又是尾流的背后。已经发现，当顶盖的旋转速度高，唤醒流量主要发生在粗糙度后面，并且当旋转速度较低时，惯性波的激发主要控制电阻。进一步详细地进行了实验，对唤醒优势的机制进行了实验，并发现在不同半径的水族馆中，在水族馆中形成了多层黑子样轴对称流动模式。此外，我们发现了一种有趣的现象，其中这种类似坚果的轴对称流到某些条件下具有圆周波浪状模式的流动。