共同研究・競争的資金等の研究課題

超流動ヘリウム冷却機器や分散相である微粒子・噴霧を含む流体機器の性能向上には、分散相による流体の乱流化や分散相自体も乱流となる2相乱流現象のより厳密な解明が不可欠である。最近の超流動ヘリウムダクト流実験では、分散相に相当する粘性ゼロの量子渦と粘性をもつ常流体の2相流乱流強度が通常の20倍になるなど、工学的応用価値を秘めた全く新たな知見が報告されているが、それらの物理現象は未解明である。本研究では、超流体・常流体間の相互摩擦力を介して2相を結合する独自手法により、2相乱流のエネルギー輸送など普遍統計法則を明確にし、2相乱流を有する流体機器の革新的な混合促進機能の向上に資するものとする。

微視的スケールで少数だが素性の明瞭な雲粒子の動力学を雲乱流シミュレータ（CTS）に取り込み，巨視的なスケールから微視的なスケールまでの乱流運動を切れ目なく直接解像し，詳細なデータ解析と乱流理論を駆使して雲粒子と乱流との相互作用を解明する． 雲乱流中の速度，温度，過飽和度揺らぎの統計的特性，雲粒子数密度や半径分布のレイノルズ数依存性，雲粒子が乱流に与える影響を大規模シミュレーションと乱流理論により解析する．

極低温の液体ヘリウムは、粘性ゼロの超流体と粘性を持つ常流体が混合した2流体状態にある。その液体ヘリウムで満たされた矩形ダクトの一方をヒーターで熱すると常流体は低温側に、超流体は高温側に移動する。流速が増加すると、超流体中の量子渦が毛玉のようになる量子乱流となり、常流体と相互作用して超流体が流れにくくなる。2015年に米国で行われた実験で、量子渦に次いで、常流体の速度分布の可視化が可能になった。その結果、流速が増加するにつれて常流体は放物形から平坦化した流れ、次いで乱流になることがわかった。そこで、今年度は下記について研究を行った。 流れに乗って渦点が動いていく渦糸計算で解析される量子乱流と固定した計算格子において流れの変形を解析する常流体といった異なる計算系の現象を解析するため、相互摩擦力を介した2流体カップリング計算の実装に成功した。その結果、流速が増加して、渦糸密度が増加すると、相互摩擦力が強くなり、常流体は平坦化した速度分布になることがわかった。その後は、圧力勾配と相互摩擦力が釣り合い、放物形分布に戻ることも明らかになった。この成果は、物理系で著名な雑誌Physical Review Lettersに掲載された。 また、相互摩擦力が存在する実験下では、矩形ダクト入口から一様な分布で流入した常流体が放物形の定常流れになるまでの助走距離が、短くなることが知られている。そこで、超流体も常流体と同じくNavier-Stokes方程式で扱えるように粗視化した方程式により、超流体が相互摩擦力によって変形した状態で常流体の入口へ向かって流れてくるために、一様な分布で流入する常流体は相互摩擦力によって早期に変形を受けることで、助走区間が短くなることがわかった。また超流体の移流項から予見される超流体の乱流粘性を渦粘性として近似することで、管壁の流速分布が平坦化する現象の再現に成功した。 計算の取り合い方の異なる超流体と常流体の2流体結合計算に成功し、1流体のみの変形を扱ってきたこれまでの計算では再現できない現象を再現ならびに解明できたから。 今後は、本研究手法を発展させ、実験では情報が少なく解明できない様々な特異現象を、計算によって解明していく。まずは、量子乱流がさらに高濃度になる場合にも高速に計算ができるようにする。これによって、さらに強い相互摩擦力下での2流体結合計算が可能となり、常流体の非等方な速度変動など、相互摩擦力の局所的な変動について詳細な検討が可能となる。また、常流体も乱流状態で計算できるようにモデル化も含めて平行して検討を進める。

雲中の乱流による乾燥・湿潤空気及び熱の混合と揺らぎの統計法則，エアロゾル輸送と雲粒子の生成・成長から雨粒子形成，雲粒子による乱流変調など雲マイクロ物理過程の全貌をサブμmから数mm，数mmから数mにわたる大規模シミュレーションを駆使して統一的な視点から解明する.

多様な熱源に適応する高効率クローズドサイクルＭＨＤ（電磁流体力学）発電の実用化研究において，研究代表者は，「シード」（作動気体への金属蒸気の微量添加）のフリー化というブレークスルーを世界で初めて展開するに至っている。本研究は，低環境負荷シードフリー高効率ＭＨＤ発電の実用化を見据えた高性能化実証を一気に進め，その開発ロードマップを確固たるものにすることを目的とし，既存技術にはないＭＨＤ発電の特徴を生かしたエネルギーシステムの構築を通して社会貢献に資するものとする。