流体力学（航空・宇宙工学）コミュの剥離について質問させてください。

はじめまして。今、流体力学のクラスを取っています。数学的にとても面白いのですが、ちょっと混乱しているところがあり、質問させてください。　

流れの剥離について(flow separation)

剥離の定義から、流れの剥離が起きるための条件として pressure gradient がプラス。(adverse pressure gradient) dp/dx > 0 であることが必要だということがわかりました。

教科書にあった例として、球（２次元で考えるので、円でしょうか？）を流れの中に置いたとします。流れが層流であれ、乱流であるとしても起る場所は違いますが剥離は起こります。

という事は、剥離が起る過程で、pressure gradient が　favorable（マイナス）から　adverse （プラス）に変わっているということなのでしょうか？　どういうメカニズムでそうなっているのでしょうか？　

Wake region について

剥離が起ったあと、物体の後方にはlow pressure の場所が出来ます。それが大きい抗力を生み出すというのは分かったのですが。どうして、そのwake region がlow pressure なのかというのがいまいち理解が出来ません。なぜでしょうか？

物凄くわかりにくい文章をここまで読んでいただいてどうもありがとうございます。こういう所で質問することじゃないような気もしますがもし質問にお答えしていただけたら幸いです。

どうもありがとうございました。

コメント(14)

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[1] mixiユーザー 11月14日 18:04

こんにちは

それは教科書の書き方が悪いのではないでしょうか？

Boundary Layerの中では流体は自身の粘性によって、エネルギーを失い、速度を落としていきます。

そして、その速度がゼロになったとき、つまりVelocity Profileが面に対して垂直になってしまったとき、流体はそれ以上面にそって流れるエネルギーがなくなり、面からはがれていくのです。

例えば球の問題の場合、Potential Flowは粘性によるエネルギーロスがないので綺麗に１８０度面に沿って最後まで流れていくのですね。

また、プレッシャーの変化は流体の速度変化によって起こる現象と考えた方が自然かもしれませんね。

Wake　Regionについては、物体が流体をかき分けたのだから、その後ろは流体の密度が小さくなるから、圧力が低くなるという直感的な理解では不十分でしょうか？

[2] mixiユーザー 11月14日 19:55

ここでは「流体の密度が小さくなる」は間違いなのでは。非圧縮性流体であれば密度の変化は無視できるほど小さいです。渦が低圧というよりも、物体後方の低圧な部分に剥離した流れが巻き込んで渦が出来ると理解していますが、、、
流体の研究からはしばらくご無沙汰なので、あまり難しいことは覚えていないです。

[5] mixiユーザー 11月14日 22:03

剥離って難しいですね。
僕も剥離が起こってどうなるかはわかってるんですけど、何で起こるかは良く分かってなかったと知りました。
自分としては、一様流に対して勾配が浅くなっていくため、流体が加速していくはずが、粘性抵抗による損失で流速が０になって剥離するくらいしか知らなかったです。
後流の負圧は、直感的には流れが存在しない（密度が低下する）場所に連続性を保つために流体が流れ込もうとするため、相対的に周囲より圧力が低下するじゃだめですか？
あとは、巻き込んだ渦が上下反対の速度勾配を持つため、流体同士による摩擦による損失が起こるとか。
所詮、書いてある英語の意味が分からない馬鹿の戯言です、無視してもいいですよ。

[8] mixiユーザー 11月15日 01:23

皆さん、私の間違いを指摘してくださってありがとうございます。

あまり深く考えたり、調べることなく、ここに書き込んでしまいました。

みなさんのコメントを読んで凄く勉強になりましたし、まだ自分は何もわかっていないなと思いました。

このことについてもっと自分で調べてみようと思います。

[10] mixiユーザー 11月15日 08:48

なんかいい感じに盛り上がってますね。
自分も少しだけ、実験屋の視点からコメントさせてもらいます。

円柱や球のような物体の場合、base pressureが下がる根本的な原因は、
剥離した流れがwake regionで渦を形成するからだと思います。

Bearman先生の論文（Bearman and Trueman, 1972）によると、

"the growing vortices draw in fluid from the base region and
it is this continual entrainment process that sustains the
low base pressure"

とのことです。

ちなみに「なぜ剥離した流れが渦を形成するか？」という話になると、
wakeの不安定性について考える必要があると思います。
理論を説明するのは難しいですが、それを実証した有名な実験としては
Roshko先生のsplitter plateの実験（Roshko, 1954）があります。

この実験では、円柱の後方に適度な長さの水平な板を設置することで
円柱の上下から剥離した流れ同士の干渉（不安定性の要因）が妨げられ、
結果的にカルマン渦の発生が抑制されます。またこのとき、円柱の
base pressureは、カルマン渦が発生する場合よりも高く保たれます。

[11] mixiユーザー 11月15日 11:35

皆様こんにちは．こういう議論で盛り上がると，コミュニティの価値が出てきますね．

私もAerodynamics系の論文を書いてて思うのですが，流れ場の説明って，なんか冗長になってしまいがちで，難しいですね．あと，圧力と流速の関係とか，って基本的に「鶏卵」の関係にあると思うので，メカニズムの説明って中々大変です．

剥離に関する説明は，皆様とほぼ同じ説明しか出来ないので省略しますが，後流で生じる渦について少々．

渦にも生成の原因が色々ありますが，円柱や角柱などの(Bluffな)物体後流で背圧を作っているのは，カルマン渦です(中口，J. Japan Society of Aeronautical Eng. 16)．
円柱でもReynolds数が40～50程度以下ではカルマン渦が生成されないことにも見られるように，所謂「渦」の生成は剪断層の不安定性に起因します．カルマン渦は，2つの剪断層が合流する「後流よどみ点」が主流直角方向に振動することによって安定化するので，「２剪断層不安定性に起因する渦」等とも言われます．流れにある種の刺激を与えてやれば，片側の剥離剪断層も渦となって安定化する現象が見られます(１剪断層不安定性に起因する渦)．
かいつまんで言うと，剪断層(速度勾配が極めて大きい層)は状況によって所謂(回転を伴ったように見える)渦という形をとった方が，「安定な状態」だということです．

あまり説明になっていませんが，この様に，「剥離剪断層の不安定性」に関する議論はこの空気力学のキモで，完全に解決された問題ではありません．所謂「安定性解析」も，粘性と圧力項を入れた式で成功した例はないと思います．

[13] mixiユーザー 11月18日 07:47

みなさんどうもありがとうございました。お礼が遅れてすいませんでした。とても勉強になりました。まだまだ知らないことだらけで、もっと知識を深められたらなって思います。本当にどうもありがとうございました。

[14] mixiユーザー 07月16日 14:22

はく離についてのトピがあったので便乗させていただきます。
今、学校のレポートで「円柱まわりの圧力分布」というレポートの考察を書いているのですが、円柱の場合の乱流に変わるレイノルズ数の値が分かる方いませんか？？

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