平面壁に衝突する渦環の数値研究

我々は、格子ボルツマン方程式を用いて、入射角 θ ≥ 0° の平面壁に衝突する渦環を三次元で数値的に研究した。渦と壁の相互作用における流れの水理学的挙動を、0° ≤ θ ≤ 40° の範囲で入射角 θ を体系的に変化させ、100 ≤ Re ≤ 1000 の範囲でレイノルズ数を変化させることで調査した。レイノルズ数 Re は渦環の平行移動速度と初期直径に基づいている。三次元における渦構造の進化と二次元の他の流れ場に対する θ と Re の影響を定量化した。我々は θ–Re パラメータ空間において三つの特徴的な流れの領域を観察した。第一に、低レイノルズ数の領域では、渦と壁の相互作用により渦環が減衰し、二次的な渦環は生成されなかった。第二に、中程度のレイノルズ数 Re と小さな入射角 θ では、渦と壁の相互作用により完全な二次渦環が生成され、高いレイノルズ数では三次渦環さえ生成される。二次渦環は主渦環の中心領域に移流され、方位不安定性を発展させ、最終的には渦–渦相互作用を通じてヘアピン状の小さな渦の発展を引き起こす。最後に、中程度のレイノルズ数と十分に大きな入射角 θ では、二次渦環のみが生成される。二次渦は主渦環を巻き付け、最初に壁に接触する主渦環の近端から、最後に壁に接触する遠端へと伝播する。渦環は螺旋構造を発展させる。今回の研究から得られた結果は、先行研究における既存の実験観察を確認するものである。