山口　祐矢

二層界面に流入する密度流先端部の挙動

福嶋　祐介

本研究では上層と下層とで密度分布がある流体に流れ込む流体の挙動を知ることを目的としている。そこで上層水と下層水とで塩分濃度の違いにより密度を変化させ二層界面を作成した。そこに流入水として中間の密度をもつ流体を流入させ密度流として観察した。　
実測値において密度流層厚は流入水と周囲流体、上層水と下層水との相対密度差の大小によって変化するものと考えられる。相対密度差が大きければ層厚は大きな値となる。また相対密度差が大きければ層厚の変化量は小さくあまり乱れない。逆に相対密度差が小さければ層厚は時間の経過とともに大きく乱れ、変化量も大きな値となる。また、密度流先端部移動速度も相対密度差によって変化する。相対密度差が大きいと移動速度は速く、相対密度差が小さいと移動速度は遅くなる。密度流先端部の形状は相対密度差が小さくなるにつれて大きくなり、密度流と周囲流体の境界が曖昧なものとなっている。
実験結果と比較するため、Kaoの理論式を用いた。Kaoの理論式では、周囲流体が上層、下層の水深が無限に大きいことを仮定し、水の粘性を無視している。さらに、上層と下層との躍層の厚さが無限小であると仮定した。
Kaoの理論式による値と実測の移動速度の値を比較すると、理論式による値が実測地に比べ大きな値となる。この理由として、理論解析では無視された、逆流、混合、粘性が実際には先端移動速度に影響するためと考えられる。水の粘性を無視した場合、中層密度流は二層界面中を滑るように進行していくことになる。密度流と周囲流体との間に摩擦が生じないために、流速が速くなると考えられる。逆流が生じると相対的に先端移動速度が小さくなる。密度流と周囲流体が混合すると、大きなエネルギー損失が生じ、また低速の周囲水を連行することにより、先端部の運動量が減少することになる。混合の影響は、中層密度流の相対密度差の変化としても表れることになる。
本研究により得られた結論は、以下の通りである。
１．密度流先端部は流入直後に大きく変動するが、次第に変動が小さくなり、中層密度流の特徴ある形を保ちながら進行していく。
２．流入水と周囲流体の相対密度差あるいは上層水と下層水の相対密度差が小さくなるにしたがって、先端部移動速度は減少し、中層密度流の層厚は大きくなる。
今後の課題としてはKaoの理論式で無視された逆流、混合、粘性による影響を考慮するため、中層密度流の実験を数多く行い、これらの影響を系統的に検討することである。