渦（流体力学）
円柱周りの渦列。流れのレイノルズ数が約40から約1000の範囲であれば、あらゆる流体、円柱のサイズ、流速において、円柱や球体の周囲で渦列が発生する可能性がある。 [ 1 ]

流体力学において、渦とは流体 の渦巻きと、流体が乱流状態にあるときに生じる逆流のことです。 [ 2 ]流体が移動すると、物体の下流側に下流に流体が流れない空間が形成されます。障害物の背後の流体はこの空間に流れ込み、障害物の両側に渦巻きを形成します。その後、障害物の背後の流体は短時間逆流し、上流に向かって障害物の後方へと流れます。この現象は、急流の河川にある大きな岩の背後で自然に観察されます。

渦とは、流体の一般的な流れから逸脱した動きのことです。渦の一例としては、そのような逸脱を引き起こす渦があります。しかし、単純な渦ではない種類の渦も存在します。例えば、ロスビー波は渦[ 3 ]の一種で、平均流からの逸脱を伴う波動ですが、渦のような局所的に閉じた流線は持ちません。

工学における渦と渦流

流体の渦巻く性質は、内燃機関における燃料と空気の良好な混合を促進するために利用されます。

流体力学と輸送現象 において、渦は流体の性質ではなく、乱流の位置と方向によって引き起こされる激しい旋回運動です。[ 4 ]

円管内を流れる流体の速度分布を示す図。層流（左）、時間平均（中央）、乱流の瞬間描写（右）

レイノルズ数と乱流

レイノルズ実験（1883年）。実験装置の横に立つオズボーン・レイノルズ。

1883年、科学者オズボーン・レイノルズは水と染料を用いた流体力学の実験を行い、流体の速度を調整することで、渦や渦糸の形成を特徴とする層流から乱流への遷移を観察しました。[ 5 ]乱流とは、系の慣性力が粘性力よりも優勢な流れとして定義されます。この現象はレイノルズ数によって記述されます。レイノルズ数は、乱流が発生するタイミングを決定するために使用される単位のない数です。概念的には、レイノルズ数は慣性力と粘性力の比です。[ 6 ]

静止空気中の普通のろうそくから上昇する熱対流の煙を捉えたシュリーレン写真。煙は最初は層流だが、画像の上部3分の1で乱流へと遷移する。この画像は、ゲイリー・セトルズ氏が直径1メートルのシュリーレンミラーを用いて撮影したものである。

半径r (または直径d ) の管を流れるレイノルズ数の一般的な形は次のとおりです。

Re＝2vρrμ＝ρvdμ{\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {2v\rho r}{\mu }}={\frac {\rho vd}{\mu }}}

ここで、 vは流体の速度、 ρは密度、rは管の半径、μは流体の動粘性である。流体中の乱流は臨界レイノルズ数によって定義され、閉管の場合、これはおよそ

Rec≈2000年。{\displaystyle \mathrm {Re} _{\text{c}}\approx 2000.}

臨界レイノルズ数に関して、臨界速度は次のように表される。

vc＝Recμρd。{\displaystyle v_{\text{c}}={\frac {\mathrm {Re} _{\text{c}}\mu }{\rho d}}.}

研究開発

計算流体力学

これらは、ナビエ-ストークス方程式のレイノルズ平均から得られるレイノルズ応力が、平均流れ歪み場との線形構成関係によって次のようにモデル化される乱流モデルです。

−ρ⟨あなた私あなたj⟩＝2μtS私、j−23ρκδ私、j{\displaystyle -\rho \langle u_{i}u_{j}\rangle =2\mu _{t}S_{i,j}-{\tfrac {2}{3}}\rho \kappa \delta _{i,j}}

どこ

  • μt{\displaystyle \mu_{t}} 乱流の「粘性」と呼ばれる係数（渦粘性とも呼ばれる）
  • κ＝12（⟨あなた1あなた1⟩+⟨あなた2あなた2⟩+⟨あなた3あなた3⟩）{\textstyle \kappa ={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}\langle u_{1}u_{1}\rangle +\langle u_{2}u_{2}\rangle +\langle u_{3}u_{3}\rangle {\bigr )}}平均乱流運動エネルギー
  • S私、j{\displaystyle S_{i,j}} 平均ひずみ速度​

2方程式乱流モデル（または の輸送方程式を解く他の乱流モデル）を解く場合、テンソル代数の目的で線形構成関係に を含める必要があることに注意してください。[ 7 ]23ρκδ私、j{\displaystyle {\tfrac {2}{3}}\rho \kappa \delta _{i,j}}κ{\displaystyle \kappa }

血行動態

血行動態学は、循環器系における血流を研究する学問です。動脈樹の直線部における血流は、典型的には層流（高い方向性のある壁応力）ですが、血管系における分岐部や湾曲部では乱流が発生します。[ 2 ]動脈樹における乱流は、動脈硬化性病変、術後新生内膜肥大、ステント内再狭窄、静脈バイパス移植不全、移植血管症、大動脈弁石灰化など、多くの懸念される影響を引き起こす可能性があります。

産業プロセス

ゴルフボールの揚力と抗力特性は、ボール表面のディンプルを操作することでカスタマイズされ、ゴルフボールが空中でより遠くより速く飛ぶことを可能にします。[ 8 ] [ 9 ]乱流現象のデータは、流体の流れの領域におけるさまざまな遷移をモデル化するために使用されており、工業プロセス内で流体を徹底的に混合し、反応速度を高めるために使用されます。[ 10 ]

流体の流れと汚染制御

海洋と大気の流れは、粒子、ゴミ、生物を地球全体に運びます。植物プランクトンなどの生物の輸送は生態系の保全に不可欠ですが、油やその他の汚染物質も海流に混ざり、汚染を発生源から遠く離れた場所まで運ぶ可能性があります。[ 11 ] [ 12 ]渦はゴミやその他の汚染物質を集中的に循環させるため、研究者たちは浄化と汚染防止を改善するためにこれを追跡しています。自然水域における渦によって引き起こされるプラスチックの分布と動きは、ラグランジュ輸送モデルを用いて予測できます。[ 13 ]中規模海洋渦は、極方向への熱伝達や、異なる深さでの熱勾配の維持に重要な役割を果たしています。[ 14 ]

環境フロー

乱流や運命輸送現象に関連する渦発達のモデル化は、環境システムを理解する上で極めて重要です。環境流における粒子状物質と溶解性物質の両方の輸送を理解することで、科学者や技術者は汚染事象に対する修復戦略を効率的に策定できるようになります。渦の形成は、河川、湖沼、海洋、大気などの環境流における溶質や粒子の運命と輸送において重要な役割を果たします。成層化した沿岸河口における湧昇は、境界層の下から栄養塩を分配してプルームを形成する動的渦の形成を必然的に促します。[ 15 ]沿岸などの浅瀬は、風によって駆動される上界と水域の底に近い下界が近接しているため、栄養塩や汚染物質の輸送において複雑な役割を果たします。[ 16 ]

中規模海洋渦

障害物（この場合は、西アフリカ沿岸のマデイラ諸島とカナリア諸島）の風下では、渦が渦列と呼ばれる乱流パターンを作り出します。

渦は海でよく見られ、直径は数センチメートルから数百キロメートルに及びます。最も小さな渦は数秒で終わることもありますが、大きな渦は数ヶ月から数年にわたって持続することがあります。

直径が約10～500km（6.2～310.7マイル）で、数日から数ヶ月間持続する渦は、海洋学では中規模渦として知られています。[ 17 ]

中規模渦は、障害物の周りの流れによって発生する静的渦 (アニメーションを参照) と、傾圧不安定性によって発生する過渡的渦の 2 つのカテゴリに分けられます。

海面に海面高度の勾配がある場合、南極周極流のようなジェット流または海流が発生します。この海流は、圧力学的に不安定なシステムの一部として蛇行し、渦を形成します（蛇行する川が三日月湖を形成するのとほぼ同じです）。このような中規模渦は、メキシコ湾流、アガラス海流、黒潮、南極周極流など、 多くの主要な海流で観測されています。

中規模海洋渦は、渦の中心をほぼ円運動で囲む流れによって特徴付けられます。これらの流れの回転方向は、低気圧性または高気圧性（ハイダ渦など）のいずれかです。海洋渦は通常、渦の外側の水塊とは異なる水塊で構成されています。つまり、渦内の水は通常、渦の外側の水とは異なる温度と塩分特性を持っています。渦の水塊特性と回転の間には直接的な関連があります。温渦は高気圧性に回転し、冷渦は低気圧性に回転します。

渦は活発な循環を伴うことがあるため、海上における海軍や商業活動にとって懸念事項となっています。さらに、渦は移動する際に異常に暖かい水や冷たい水を運ぶため、海洋の特定の部分における熱輸送に重要な影響を与えます。[ 18 ]

頂点捕食者への影響

亜熱帯北大西洋には、それぞれ表層クロロフィルの高濃度と低濃度に関連する低気圧性渦と高気圧性渦の両方が存在することが知られています。クロロフィルの存在と高濃度クロロフィルは、この地域でより高い植物プランクトンのバイオマスを維持するだけでなく、垂直方向の栄養塩フラックスと生物群集の輸送が増加する領域にも支えられています。大西洋のこの地域は海洋砂漠であると考えられていますが、これは興味深いパラドックスを生み出しています。なぜなら、ここには様々な大型外洋性魚類や頂点捕食者が生息しているからです。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

これらの中規模渦は、頂点捕食者とその獲物の両方によるこれらの渦の利用をより深く理解するための食物網モデルの生態系に基づく管理をさらに構築する上で有益であることが示されています。Gaube ら (2018) は、「スマート」位置または温度伝送タグ (SPOT) とポップアップ衛星アーカイブ伝送タグ (PSAT) を使用して、渦内の 2 匹のメスのホホジロザメ (Carcharodon carcharias) の動きと潜水行動を追跡しました。渦は、海面高度 (SSH) と水平速度ベースの半径スケールを使用した等高線を使用して定義されました。この研究では、ホホジロザメは両方のサイクロンで潜水しましたが、サイクロン性の渦の 3 倍の潜水がある高気圧性渦を好むことがわかりました。さらに、メキシコ湾流の渦では、高気圧性の渦が 57% 多く発生し、外洋の渦やメキシコ湾流のサイクロン性の渦よりも多くの潜水と深い潜水が見られました。[ 21 ]

これらの高気圧性渦の中では、等温線が50メートル下方に移動したため、より暖かい水が水柱のより深いところまで浸透することができました。この暖かい水の変位により、ホホジロザメはより冷たい低気圧における体温調節による追加のエネルギーコストをかけずに、より長い潜水が可能になったと考えられます。これらの高気圧性渦は低気圧性渦に比べてクロロフィル濃度を低下させましたが、より深い深さの暖かい水はより深い混合層とより高い珪藻類の濃度を可能にし、結果としてより高い一次生産性をもたらします。[ 21 ] [ 22 ]さらに、これらの渦の中では獲物の個体群がより広く分布し、これらの大型のメスのサメがこの中深海域で餌を探すように引き寄せられる可能性があります。この潜水パターンは日周垂直移動に従っている可能性がありますが、この海域における獲物のバイオマスに関するより詳細な証拠がなければ、これらの状況証拠のみを使用してこれらの結論を導き出すことはできません。[ 21 ]

中深海域の生物量に関する研究は未だ不十分であり、この層に生息する魚類の生物量が過小評価されている可能性があります。この生物量のより正確な測定は、この地域における漁場の拡大という点で、商​​業漁業にとって有益なものとなる可能性があります。さらに、外洋におけるこの地域の理解を深め、この地域における魚類の除去が外洋性食物網にどのような影響を与えるかを理解することは、この食料源に依存する可能性のある魚類の個体群や頂点捕食者にとって、そして生態系に基づくより適切な管理計画を策定する上で非常に重要です。[ 21 ]

参照

参考文献

  1. ^ Tansley, Claire E.; Marshall, David P. (2001). 「平面上の円筒を通過する流れ、そのメキシコ湾流分離および南極周極流への応用」(PDF) . Journal of Physical Oceanography . 31 (11): 3274– 3283. Bibcode : 2001JPO....31.3274T . doi : 10.1175/1520-0485(2001)031<3274:FPACOA>2.0.CO;2 . 2011年4月1日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
  2. ^ a b Chiu, Jeng-Jiann; Chien, Shu (2011-01-01). 「血管内皮細胞に対する乱れ血流の影響：病態生理学的根拠と臨床的展望」 .生理学レビュー. 91 (1): 327– 387. doi : 10.1152/physrev.00047.2009 . ISSN 0031-9333 . PMC 3844671. PMID 21248169 .   
  3. ^ブリタニカ百科事典 渦（流体力学）
  4. ^ライトフット、R. バイロン・バード、ウォーレン・E. スチュワート、エドウィン・N. (2002).輸送現象（第2版）. ニューヨーク、NY [ua]: Wiley. ISBN 0-471-41077-2。{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  5. ^神戸勉 (2007).初等流体力学. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. pp.  240. ISBN 978-981-256-416-0。
  6. ^ 「圧力」 . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . 2017年2月12日閲覧。
  7. ^ 「線形渦粘性モデル - CFD-Wiki、無料CFDリファレンス」 www.cfd-online.com . 2017年2月12日閲覧。
  8. ^アーノルド、ダグラス. 「ゴルフボールの飛行」(PDF) .
  9. ^ 「なぜゴルフボールにはディンプルがあるのですか？」 math.ucr.edu 。2017年2月12日閲覧。
  10. ^ディモタキス、ポール. 「乱流における混合遷移」(PDF) .カリフォルニア工科大学情報技術サービス. 2017年8月8日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2017年3月6日閲覧。
  11. ^ 「海流が植物プランクトンと汚染物質を地球全体に押し流す速度は、予想より速い」サイエンス・デイリー、2016年4月16日。 2017年2月12日閲覧。
  12. ^ 「海洋汚染」アメリカ海洋大気庁。
  13. ^ Daily, Juliette; Hoffman, Matthew J. (2020-05-01). 「エリー湖における複数種類のマイクロプラスチックポリマーの3次元輸送と分布のモデリング」 . Marine Pollution Bulletin . 154 111024. Bibcode : 2020MarPB.15411024D . doi : 10.1016/j.marpolbul.2020.111024 . ISSN 0025-326X . PMID 32319887 .  
  14. ^ 「海洋中規模渦 - 地球物理流体力学研究所」 www.gfdl.noaa.gov . 2017年2月12日閲覧。
  15. ^ Chen, Zhaoyun; Jiang, Yuwu; Wang, Jia; Gong, Wenping (2019-07-23). 「河川プルームの沿岸湧昇ダイナミクスへの影響：成層の重要性」 . Journal of Physical Oceanography . 49 (9): 2345– 2363. Bibcode : 2019JPO....49.2345C . doi : 10.1175/JPO-D-18-0215.1 . ISSN 0022-3670 . 
  16. ^ Roman, F.; Stipcich, G.; Armenio, V.; Inghilesi, R.; Corsini, S. (2010-06-01). 「沿岸域における混合のラージエディシミュレーション」 . International Journal of Heat and Fluid Flow . 第6回国際乱流・せん断流現象シンポジウム. 31 (3): 327– 341. Bibcode : 2010IJHFF..31..327R . doi : 10.1016/j.ijheatfluidflow.2010.02.006 . ISSN 0142-727X . S2CID 123151803 .  
  17. ^ Tansley, Claire E.; Marshall, David P. (2001). 「β平面上の円柱を通過する流れ、メキシコ湾流の分離と南極周極流への応用」 . Journal of Physical Oceanography . 31 (11): 3274– 3283. Bibcode : 2001JPO....31.3274T . doi : 10.1175/1520-0485(2001)031<3274:FPACOA>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0485 . S2CID 130455873 .  
  18. ^ 「海洋中規模渦」 .地球物理流体力学研究所. NOAA . 2021年6月10日閲覧。
  19. ^ Chelton, DB, Gaube, P., Schlax, MG, Early, JJ, & Samelson, RM (2011). 非線形メソスケール渦が近海表層クロロフィルに与える影響. Science, 334(6054). https://doi.org/10.1126/science.1208897
  20. ^ Gaube, P., McGillicuddy, DJ, Chelton, DB, Behrenfeld, MJ, & Strutton, PG (2014). 中規模渦が近海クロロフィルに与える影響の地域差. Journal of Geophysical Research: Oceans, 119(12). https://doi.org/10.1002/2014JC010111
  21. ^ a b c d e Gaube, P., Braun, CD, Lawson, GL, McGillicuddy, DJ, Penna, A. della, Skomal, GB, Fischer, C., & Thorrold, SR (2018). メキシコ湾流とサルガッソ海における成熟雌ホホジロザメの行動に及ぼすメソスケール渦の影響. Scientific Reports, 8(1). https://doi.org/10.1038/S41598-018-25565-8
  22. ^ McGillicuddy, DJ, Anderson, LA, Bates, NR, Bibby, T., Buesseler, KO, Carlson, CA, Davis, CS, Ewart, C., Falkowski, PG, Goldthwait, SA, Hansell, DA, Jenkins, WJ, Johnson, R., Kosnyrev, VK, Ledwell, JR, Li, QP, Siegel, DA, & Steinberg, DK (2007). 渦と風の相互作用が海洋中層における異常なプランクトンブルームを引き起こす. Science, 316(5827). https://doi.org/10.1126/science.11 ​​36256
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eddy_(fluid_dynamics)&oldid=1327212514#Mesoscale_ocean_eddies」より取得