超音波ドップラー法を用いた流れ場の時空間計測と流れ構造解析への適用

抄録

超音波ドップラー流速分布測定法が開発され、流れ場に関する時空二次元の情報を得ることができるようになった。その結果、実験データの解析にも新しい方法が必要であるが、我々はSingluar System Analysis（SSA）と呼ばれる直交関数展開法を使用して、種々の流動形態における流れ場の時空間特性を調べている。
ここでは回転二重円筒内の流れ場を軸方向成分の流束分布をVz(z,t)の形で取得し、乱流遷移の様相を調べた。得られたデータの1次元Fourier変換により、空間依存パワースペクトルや時間依存エネルギースペクトル密度を求めることができるが、特に後者はTaylorの凍結仮説を用いずにエネルギースペクトル密度を波数の関数として始めて求めたものである。更に、時間平均エネルギースペクトル密度や空間平均パワースペクトルは、ノイズがキャンセルしているので、非常にクリアーな結果を与える。
データの直交関数展開を、二次元Fourier変換とSSAを適用して行った。TCFは空間周期性が非常に良いので、2D-FFTが非常に有効である。(k, f)スペクトル上でTVFはf=0の位置に強いピークとして現れ、WVFは(k₁, f₁)の位置に独立したPeakとして現れる。
超音波ドップラー流速分布測定法が流れ場の時空間情報を与えることを示した。この方法により実験流体力学における新しい展開が可能となるであろう。このデータの解析には直交関数展開が有効で、特に流れ場構造に時空間特性を含むような乱流遷移領域での研究には強力な武器となるであろうことを示した。