剪断力の働く気液界面を通してのスカラ-輸送機構の解明と輸送量の評価
【研究分野】流体工学
【研究キーワード】
環境流体力学 / 乱流 / 混相流 / 反応流 / 数値流体力学 / 風波乱流 / 熱物質輸送 / 気液界面 / 降雨 / 気泡・液滴 / 物質移動 / 熱輸送 / 温暖化予測 / 大気海洋相互作用 / 表面更新渦 / 大気・海洋相互作用 / 炭酸ガス交換
【研究成果の概要】
地球温暖化を正確に予測するうえで、海洋と大気との問のCO_2の交換量を正確に評価することは必要不可欠である。本研究では、精巧な室内実験および直接数値計算を用いて剪断力の働く気液界面近傍での乱流構造と物質輸送機構を解明することにより、物理的根拠に基づいた気液界面を通しての物質輸送速度の正確な評価およびそのモデル化を行うことを目的とした。風波水槽において物質移動実験を行った結果、うねりが風波乱流場での物質移動を抑制することが明らかになった。また、この理由は、うねりを伴う場合には気液界面に作用する抗力は増大するものの圧力抗力が増大する、気液界面を通しての物質輸送を支配する摩擦応力は逆に減少するためであることを、スーパーコンピュータを用いた三次元直接数値シミコ.レーションにより明らかにした。また、液相が海水である場合において、高風速域で見られる砕波に伴う飛散液滴が海水面を通しての物質輸送に及ぼす影響は小さいのに対して巻き込み気泡が及ぼす影響は大きいことを明らかにした。また、開水路と降雨装置において実験を行った結果、降雨は気液界面を通しての物質交換を著しく促進させることが明らかになった。また、降雨の衝突を伴う気液界面を通しての物質輸送速度を決定づける最適パラメータは、従来用いられてきた降雨の運動エネルギフラックスではなく、運動量フラックスであることを明らかにした。さらに、実験結果と全球規模での降雨量などのデータベースを用いて、全球規模における大気海洋間での熱物質輸送に及ぼす降雨の影響を評価した。その結果、大気・海洋間における二酸化炭素および熱の交換に及ぼす降雨の影響は、風の影響に比べて、海洋全体または長期的には無視できるほど小さいが、局所的かつ短期的にはかなり大きくなる場合があることが明らかとなった。
【研究代表者】