Structure of quantized vortices in turbulence driven by two-fluid flow

双流体驱动湍流中的量子化涡结构

基本信息

批准号：
22K03531
负责人：
矢野英雄
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Osaka Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03531/
关键词：
低温物性超流体二流体流れ場量子渦量子乱流超流動ヘリウム

项目摘要

本研究は、超流動ヘリウムの超流動と常流動の二流体流れ場で発生する乱流について、量子渦の観測からその渦構造を研究する。最近の我々の研究から、振動物体が駆動する流れ場で量子乱流が発生すると量子渦輪を放出することを明らかにし、量子渦輪を実験的に検出する方法を確立した。これらの研究成果をもとに、二流体流れ場で発生する乱流を、放出する渦輪の検出によって明らかにする。これまでの研究実績は以下のとおりである。１．細管でつないだ二つの層を超流動ヘリウムで満たし、片方の層から細管に沿って熱を流すことで細管内に二流体流れ場を駆動する。熱流による流れ場の制御で、臨界速度以上で乱流が発生する。細管内径より十分細い量子渦輪検出器を細管端のすぐ外側に置き、量子渦輪の検出を行った。臨界速度以上の流れ場で量子渦輪を検出することに成功し、二流体流れ場の乱流から量子渦輪が放出されることを明らかにした。２．乱流発生から量子渦輪検出までの時間を測定したところ検出時間は広く分布し、その統計則は指数分布を示すことを明らかにした。この結果は、乱流から放出される量子渦輪が時間もしくは方向に対しランダムに運動することを示している。これは我々がこれまでに明らかにした振動物体が生成する乱流と同様の現象であることを確認した。３．流れ場の速度上昇にともない、量子渦輪の平均検出頻度が上昇する。この結果は、流路中に発生する乱流の量子渦密度の上昇を示唆する。これは、過去に行われた第２音波による量子渦密度上昇の研究結果と一致する。４．量子渦輪の平均検出密度は、ある速度を境に急上昇することを見出した。過去に行われた量子渦密度上昇の研究結果との対応から、流路内の乱流がその速度で変化するためと考察される。

在本研究中，我们通过量子涡旋的观测来研究超流氦二流体流场（超流和法向流）中产生的湍流的涡旋结构。我们最近的研究表明，当振动物体驱动的流场中发生量子湍流时，会发射量子涡环，并且我们建立了一种通过实验检测量子涡环的方法。基于这些研究成果，我们将通过检测释放的涡环来阐明二流体流场中发生的湍流。迄今为止的研究结果如下。 1.通过毛细管连接的两层充满超流氦，热量从一层沿着毛细管流动，驱动毛细管内形成双流体流场。通过使用热流控制流场，在临界速度以上会发生湍流。将比毛细管内径足够薄的量子涡环检测器放置在毛细管末端的外侧以检测量子涡环。我们成功地检测到高于临界速度的流场中的量子涡环，并揭示了量子涡环是由二流体流场中的湍流发射的。 2.当我们测量从湍流产生到量子涡环被检测到的时间时，我们发现检测时间分布广泛，统计规律呈现指数分布。这一结果表明，从湍流中发出的量子涡环相对于时间或方向随机移动。我们证实这种现象与我们之前发现的振动物体产生的湍流类似。 3.随着流场速度的增加，量子涡环的平均检测频率增加。该结果表明流道中产生的湍流的量子涡密度增加。这与过去关于第二声波导致量子涡密度增加的研究结果一致。 4.我们发现量子涡环的平均探测密度在达到一定速度后急剧增加。根据之前关于增加量子涡密度的研究结果，认为这是因为流道中的湍流以该速度发生变化。