渦（流体力学）

流体力学では、渦とは流体 の渦巻きと、流体が乱流状態にあるときに生じる逆流のことです。 ^[2]流体が移動すると、物体の下流側に下流に流れる流体のない空間が形成されます。障害物の後ろの流体はその空間に流れ込み、障害物の各端に流体の渦巻きを作り出します。その後、障害物の後ろの流体が短時間逆流して上流に流れ、障害物の後ろに向かって流れます。この現象は、流れの速い川の大きな岩の後ろで自然に観察されます。

渦とは、流体の一般的な流れから逸脱した流体の動きのことです。渦の例としては、そのような逸脱を生み出す渦があります。ただし、単純な渦ではない他の種類の渦もあります。たとえば、ロスビー波は渦^[3]であり、平均の流れから逸脱した波動ですが、渦のような局所的に閉じた流線はありません。

流体の渦巻く性質は、内燃機関における燃料と空気の良好な混合を促進するために利用されます。

流体力学と輸送現象 において、渦は流体の特性ではなく、乱流の位置と方向によって引き起こされる激しい旋回運動です。^[4]

1883年、科学者オズボーン・レイノルズは水と染料を使った流体力学の実験を行い、流体の速度を調整して層流から乱流への移行を観察しました。この移行は渦と渦の形成を特徴としています。^[5]乱流は、システムの慣性力が粘性力よりも優勢な流れとして定義されます。この現象はレイノルズ数によって説明されます。レイノルズ数は、乱流が発生するタイミングを決定するために使用される単位のない数です。概念的には、レイノルズ数は慣性力と粘性力の比率です。^[6]

半径r (または直径d ) の管を流れるレイノルズ数の一般的な形式は次のとおりです。

${\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {2v\rho r}{\mu }}={\frac {\rho vd}{\mu }}}$

ここでvは流体の速度、 ρは密度、rは管の半径、μは流体の動粘性である。流体の乱流は臨界レイノルズ数によって定義され、閉じた管の場合、これはおよそ

${\displaystyle \mathrm {Re} _{\text{c}}\approx 2000.}$

臨界レイノルズ数に関して、臨界速度は次のように表される。

${\displaystyle v_{\text{c}}={\frac {\mathrm {Re} _{\text{c}}\mu }{\rho d}}.}$

これらは、ナビエ-ストークス方程式のレイノルズ平均から得られるレイノルズ応力が、平均流れひずみ場との線形構成関係によってモデル化される乱流モデルです。

${\displaystyle -\rho \langle u_{i}u_{j}\rangle =2\mu _{t}S_{i,j}-{\tfrac {2}{3}}\rho \kappa \delta _ {i,j}}$

どこ

• ${\displaystyle \mu_{t}}$ 乱流の「粘性」と呼ばれる係数（渦粘性とも呼ばれる）
• ${\displaystyle \kappa ={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}\langle u_{1}u_{1}\rangle +\langle u_{2}u_{2}\rangle +\langle u_ {3}u_{3}\rangle {\bigr )}}$平均乱流運動エネルギーである
• ${\displaystyle S_{i,j}}$平均ひずみ速度 は

2方程式乱流モデル（または の輸送方程式を解く他の乱流モデル）を解く場合、テンソル代数の目的で線形構成関係に を含める必要があることに注意してください。^[7]${\displaystyle {\tfrac {2}{3}}\rho \kappa \delta _{i,j}}$${\displaystyle \kappa}$

血行動態学は、循環器系における血流を研究する学問です。動脈樹の直線部分の血流は通常層流（高い方向性壁応力）ですが、システム内の分岐や湾曲により乱流が発生します。^[2]動脈樹の乱流は、動脈硬化性病変、術後新生内膜肥大、ステント内再狭窄、静脈バイパス移植不全、移植血管症、大動脈弁石灰化など、多くの懸念される影響を引き起こす可能性があります。

ゴルフボールの揚力と抗力特性は、ボールの表面に沿ったディンプルの操作によってカスタマイズされ、ゴルフボールが空中でより遠く、より速く飛ぶことを可能にします。^{[8] [9]}乱流現象のデータは、流体の流れのさまざまな遷移をモデル化するために使用されており、工業プロセス内で流体を完全に混合し、反応速度を高めるために使用されます。^[10]

海洋と大気の流れは、粒子、破片、生物を地球全体に運びます。植物プランクトンなどの生物の輸送は生態系の保全に不可欠ですが、油やその他の汚染物質も海流に混ざり、汚染を発生源から遠くまで運ぶ可能性があります。^{[11] [12]}渦形成により、ゴミやその他の汚染物質が集中した領域に循環し、研究者は清掃と汚染防止を改善するためにこれを追跡しています。自然水域での渦形成によって引き起こされるプラスチックの分布と動きは、ラグランジュ輸送モデルを使用して予測できます。^[13]中規模の海洋渦は、極方向への熱の伝達と、さまざまな深さでの熱勾配の維持に重要な役割を果たしています。^[14]

乱流と運命輸送現象に関連する渦の発達をモデル化することは、環境システムを理解する上で極めて重要です。環境流中の粒子状物質と溶解性固形物の両方の輸送を理解することで、科学者と技術者は汚染事象の修復戦略を効率的に策定できるようになります。渦の形成は、河川、湖沼、海洋、大気などの環境流における溶質と粒子の運命と輸送において重要な役割を果たします。成層した沿岸河口での湧昇は、境界層の下から栄養分を分配してプルームを形成する動的渦の形成を正当化します。^[15]海岸沿いなどの浅瀬は、風によって駆動される上界と水域の底近くの下界が近いため、栄養分と汚染物質の輸送において複雑な役割を果たします。^[16]

渦は海洋ではよく見られ、その直径は数センチメートルから数百キロメートルに及びます。最も小さな渦は数秒程度しか持続しませんが、大きな渦は数か月から数年にわたって持続することがあります。

直径が約10～500km（6～300マイル）で、数日から数か月間持続する渦は、海洋学では中規模渦として知られています。^[17]

^{中規模渦は、障害物の周りの流れによって発生する静的渦（アニメーションを参照） [説明が必要]}と、傾圧不安定性によって発生する一時的渦 の 2 つのカテゴリに分けられます。

海洋に海面高度の勾配がある場合、南極周極流などのジェット流または海流が発生します。この海流は、圧力勾配が不安定なシステムの一部として蛇行し、渦を形成します (蛇行する川が三日月湖を形成するのとほぼ同じ方法です)。これらのタイプの中規模渦は、メキシコ湾流、アガラス海流、黒潮、南極周極流など、 多くの主要な海流で観測されています。

中規模海洋渦は、渦の中心の周りをほぼ円運動で流れる海流によって特徴付けられます。これらの海流の回転方向は、サイクロニックまたは高サイクロニックのいずれかです (ハイダ渦など)。海洋渦はまた、通常、渦の外側とは異なる水塊で構成されています。つまり、渦内の水は通常、渦の外側の水とは異なる温度と塩分特性を持っています。渦の水塊特性とその回転の間には直接的な関係があります。暖かい渦は高サイクロニックに回転し、冷たい渦はサイクロニックに回転します。

渦は活発な循環を伴うため、海上での海軍や商業活動にとって懸念事項となっている。さらに、渦は移動しながら異常に暖かい水や冷たい水を運ぶため、海洋の特定の部分での熱輸送に重要な影響を及ぼす。^[18]

亜熱帯北大西洋には、それぞれ高クロロフィルと低クロロフィルに関連するサイクロン渦と高サイクロン渦の両方があることが知られています。クロロフィルの存在とクロロフィルレベルの高さにより、この地域は植物プランクトンのバイオマスをより多く支えることができ、垂直方向の栄養フラックスと生物群集の輸送が増加する領域によって支えられています。大西洋のこの領域は海の砂漠でもあると考えられており、さまざまな大型遠洋魚の個体群と頂点捕食者が生息しているため、興味深いパラドックスを生み出しています。^{[19] [20] [21]}

これらの中規模渦は、頂点捕食者とその獲物の両方によるこれらの渦の利用をよりよく理解するための食物網モデルの生態系ベースの管理をさらに構築する上で有益であることが示されています。Gaube et al. (2018) は、「スマート」位置または温度送信タグ (SPOT) とポップアップ衛星アーカイブ送信タグ (PSAT) を使用して、渦内の 2 匹のメスのホオジロザメ (Carcharodon carcharias) の動きと潜水行動を追跡しました。渦は、海面高度 (SSH) と水平速度ベースの半径スケールを使用した等高線を使用して定義されました。この研究では、ホオジロザメは両方のサイクロンで潜水しましたが、サイクロン渦の 3 倍の潜水がある高気圧を好んだことがわかりました。さらに、メキシコ湾流の渦では、高気圧の渦が外洋の渦やメキシコ湾流のサイクロン渦よりも 57% 多く発生し、より多くの潜水とより深い潜水がありました。^[21]

これらの高気圧性渦の中では、等温線が 50 メートル下方にずれ、より暖かい水が水柱のより深いところまで浸透するようになった。この暖かい水の変位により、ホホジロザメは、より冷たいサイクロンでの体温調節による追加のエネルギーコストをかけずに、より長い潜水が可能になる可能性がある。これらの高気圧性渦はサイクロン性渦と比較してクロロフィルのレベルを低下させたが、より深い深さのより暖かい水は、より深い混合層とより高い珪藻類の濃度を可能にし、その結果、より高い一次生産性率をもたらす可能性がある。^{[21] [22]}さらに、これらの渦の中では獲物の個体群がより多く分布している可能性があり、これらのより大きなメスのサメがこの中深海域で餌を探すように引き寄せられる。この潜水パターンは日周の垂直移動に従っている可能性があるが、このゾーン内の獲物のバイオマスに関するより多くの証拠がなければ、これらの結論はこの状況証拠のみを使用して行うことはできない。^[21]

中深海域の生物量はまだ十分に研究されておらず、この層の魚類の生物量が過小評価されている可能性がある。この生物量のより正確な測定は、この地域に新たな漁場を提供することで商業漁業に利益をもたらす可能性がある。さらに、外洋におけるこの地域のさらなる理解と、この地域での魚類の除去がこの遠洋食物連鎖にどのような影響を与えるかを理解することこそが、この食料源に依存している可能性のある魚類の個体群と頂点捕食者にとって、また生態系に基づくより優れた管理計画を策定するために極めて重要である。^[21]

• 渦
• 渦巻きポンピング- 生物学および生物地球化学に関連する渦巻きの垂直運動の要素
• 渦拡散
• ハイダ・エディーズ
• イルミンガーリング
• レイノルズ数- 乱流の発生を予測するために使用される無次元定数
• レイノルズ実験
• カルマン渦巻街道
• ワールプール
• 旋風
• 急流の川の渦
• 後流乱気流
• 数値流体力学
• 層流
• 血行動態
• モドン、または双極子渦対。