東大、整った空気や水などの流れが「乱流」に変わる際の普遍法則を発見

東京大学は2月16日、「層流」と呼ばれる整った空気や水などの流れが、乱れた状態の「乱流」に遷移するときに従う普遍法則を実験で見いだしたと発表した。

同成果は、同大学大学院 理学系研究科 佐野雅己 教授と大学院生の玉井敬一氏らの研究チームによるもので、2月15日付けの英科学誌「Nature Physics」に掲載された。

空気や水といった流体は、速度が十分遅い場合、一般に規則的な層流となるが、速度が速くなると流れが乱れ、乱流になる。しかし、層流がいつどのようにして乱流に遷移するのか、そこにどんな法則があるのかは、130年以上にわたって未解決の問題となっていた。

今回、同研究チームは、2枚の平行な平板の間に流体の流れを作るチャネル実験装置を製作。同装置は、長さ6m、幅90cm、ギャップ幅5mmと、これまでで最大級だという。実験ではこれを用い、チャネルの入り口から乱流状態の流れを注入し、その乱れが下流に流れるに従って減衰するのか、あるいはチャネル内に広がるのかを調べる手法を考案した。

その結果、流速(レイノルズ数)が小さい場合には、注入された乱れは直ちに減衰し、流れは単純な層流になるが、速度を上げていくと、一様な乱れのなかに局在した乱流スポットが現れ、この乱流スポットが流れとともに分裂したり消滅したりを繰り返す現象が見られた。