[論文レビュー] Detection of standing internal gravity waves in experiments with convection over a wavy heated wall

L. Barel, A. Eidelman+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 58被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、Ra ~10⁸ のレイノルズ数で、波打つ加熱下部壁を有するレイノルズ＝ベナール対流系において、大規模な定常内部重力波（IGW）を実験的に検出した。波の周期は14〜167秒であり、乱流スケールよりもはるかに大きな波長を示し、流れの中心部における安定層流領域に発生しており、波ガイド共振器効果を示唆している。一方、平滑な壁を用いたコントロール実験では同種の波は観測されず、底部地形がIGW励起に果たす役割が明確になった。

ABSTRACT

Convection over a wavy heated bottom wall in the air flow has been studied in experiments with the Rayleigh number $\sim 10^8$. It is shown that the mean temperature gradient in the flow core inside a large-scale circulation is directed upward, that corresponds to the stably stratified flow. In the experiments with a wavy heated bottom wall, we detect large-scale standing internal gravity waves excited in the regions with the stably stratified flow. The wavelength and the period of these waves are much larger than the turbulent spatial and time scales, respectively. In particular, the frequencies of the observed large-scale waves vary from 0.006 Hz to 0.07 Hz, while the turbulent time in the integral scale is about 0.5 s. The measured spectra of these waves contains several localized maxima, that implies an existence of waveguide resonators for the large-scale standing internal gravity waves. For comparisons, experiments with convection over a smooth plane bottom wall at the same mean temperature difference between bottom and upper walls have been also conducted. In these experiments various locations with a stably stratified flow are also found and the large-scale standing internal gravity waves are observed in these regions.

研究の動機と目的

• 波打つ加熱下部壁上での内部重力波（IGW）の生成を調査すること。
• 乱流対流内における安定層流領域に大規模な定常IGWが形成される条件を特定すること。
• 波打つ壁と平滑な壁の両配置における波の特性を比較し、底部地形の果たす役割を分離すること。
• 波エネルギーの局所的スペクトルピークが波ガイド共振器の形成を示唆するかどうかを検証すること。
• 観測されたIGWの時間的・空間的スケールを、系内の乱流スケールと比較して定量すること。

提案手法

• 正弦波状に波打つ加熱下板を有するレイノルズ＝ベナール対流セルを用いた実験的調査を実施した。
• 粒子画像ボロメトリ（PIV）および熱電対を用いて、温度場および速度場を測定し、大規模な流れ構造を解像した。
• 流れの中心部における時系列データを解析し、0.006 Hz から 0.07 Hz の周波数帯にわたるコherentな振動を検出した。
• 温度および速度フラクチュエーションのパワースペクトルを計算し、共鳴する波モードを示す局所的ピークを特定した。
• 同一の平均温度差を有する平滑な平坦な下部壁を用いたコントロール実験と比較した。
• 流れの中心部における平均温度勾配を分析し、安定層流を確認した（上向きの温度勾配）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波打つ加熱壁上を対流する流れにおいて、安定層流領域に定常内部重力波が形成されるか？
• RQ2 観測された波の周波数および波長は、乱流の統計的時間スケール（約0.5 s）と比較してどのように異なるか？
• RQ3 波エネルギーに局所的ピークが存在するか。これは波ガイド共振器の存在を示唆するか？
• RQ4 波打つ下部壁の存在は、平滑な壁と比較してIGW励起にどのように影響を与えるか？
• RQ5 大規模なコherent構造は、対流流れにおける定常IGWの生成および維持に果たす役割は何か？

主な発見

• 上向きの平均温度勾配を示す流れの中心部領域において、大規模な定常内部重力波が実験的に検出された。これは安定層流条件が確認されたことを示している。
• 観測された波の周波数は0.006 Hz から 0.07 Hz の範囲であり、周期は14〜167秒に達し、乱流の統計的時間スケール（約0.5 s）よりも著しく長時間スケールである。
• 測定された波スペクトルには複数の局所的ピークが存在し、特定のIGWモードを捕獲・増幅する波ガイド共振器の存在を示している。
• 波打つ壁のケースとは対照的に、同一の平均温度差を有する平滑な壁コントロール実験では、同様の大規模な定常波は観測されなかった。
• 波は、流れの中心部における平均温度勾配が上向きを示す領域にのみ観測され、安定層流層との関連性が明確に確認された。
• 結果から、底部地形（波打つ壁）が、外部からの駆動がない状態でも、対流流れにおける大規模な定常IGWを励起する重要なメカニズムであることが示された。