乱流
とは、流体
の乱
れのことで、その規則性
を数学的にとらえることが難
しいカオスな存在
です。
具体的な事例は、身近にたくさんあります。例えば、座礁
したタンカーから漏
れ広がった原油
の拡散
、飛行機を揺
らす乱気流
などがあります。水道の蛇口
から出る水の流れや、川の流れも乱流です。乱流の動きを予測することができれば、海洋汚染
を最小限
に食い止めることができ、飛行機が乱気流に巻
き込
まれるのも防げるでしょう。
このたび、沖縄
科学技術大学大学院（OIST)、イタリアのジェノバ大学、スウェーデン王立工科大学（KTH)、スイス連邦
工科大学チューリッヒ校は、国際共同研究
によって、これまでなかったような、新しい乱流の計測方法を開発しました。
通常、乱流を計測するには、流体にトレーサーと呼ばれる小さな粒子
を投入し、その動きを追跡
する方法がとられました。しかし、流体は数多くの小さな渦
の集まりとして動いているので、１つの粒子を観測
しただけでは渦全体の姿はわかりません。重要なことは、追跡粒子が近くにある別の追跡粒子とどのように影響
しあって動いているのかということです。しかし、渦全体の動きを追跡しようとすると、計算が膨大
になりすぎてしまいます。
で渦が発生している乱流。（画像／OIST）
乱流の計測が難しいもうひとつの理由は、渦は時間の経過
とともに拡散
していってしまうことです。渦が拡散していくと粒子どうしの間隔
が広がっていき、互いに影響を及
ぼし合うことがなくなりますから、渦の計測はできなくなってしまいます。この課題に対しては、追跡粒子の数を増やす方法があります。しかし、そうすると、渦の流れが粒子によって乱されてしまい、正確に計測できなくなるおそれがあります。
そこで考え出されたのが、追跡粒子の代わりに繊維
を使う方法です。繊維はかたいため、両端
を一定の距離
に保ったまま、乱流の動きを追跡することができるので、乱流の全体的な構造
を把握
できると考えたのです。
研究チームは、さまざまな長さの繊維を乱入に投入するコンピューターシミュレーションを行いました。そして、流体の運動エネルギーが渦から渦へと伝達し、最後は熱エネルギーに変化していく様子も正確に計測することができました。
点から線へという逆転の発想で新しいひらめきを得た斬新
な研究といえるでしょう。今後は、かたい繊維だけではなく、柔
らかい繊維も使って検証
を進める予定とのこと。また、通常
のニュートン流体（水やアルコールなど）以外に、非ニュートン流体（マヨネーズやバターなど）の乱流についても計測できるような新しい理論
を探っていくそうです。
文
