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優秀賞
『正方形角柱から放出されるカルマン渦の
Computer Visualization』
東京大学生産技術研究所
小林研究室博士課程１年
本可視化作品の概要
本作品は，一様流中に置かれた正方形角柱から放出される渦の様子を可視化したも
のである。これは，LES（Large Eddy Simulation）と呼ばれる乱流解析法を用いて計算
されている。LESは乱流の非定常性・3次元性を再現しうる計算法として期待され，
現在でも盛んに研究されている。流れには層流と乱流の2種類に分けられるが，特に
乱流は粘性によって渦が熱へと散逸するスケールが非常に小さく，この散逸過程を捕
らえるためには，非常に細かい計算格子を使用しなければならない。しかし，現在の
計算機がいかに高速になったとはいえ，一部の単純な流れ場を除いて乱流の直接計算
は不可能であり，将来的にも不可能であると考えられている。それに対してLESは，
流れ場を計算格子スケールであるgrid scaleとそれ以下のスケールであるsubgrid scaleに
分離して考え，grid scaleを直接計算し，subgrid scaleを物理的あるいは実験的考察に基
づいてモデル化して計算する。従って，LESは少ない格子点数により乱流計算を行え
るという利点がある。
計算対象としての角柱周りの流れは，流れの衝突，はく離，再付着，カルマン渦列
の生成など流れ現象の基本的要素の多くが含まれ，しかも幾何形状が単純であるとい
うことから計算及び実験対象として適している。そして，これによって得られた知見
をもとに，風による煙突，橋梁等の振動，潮流による海洋構造物の振動といった実際
の工学的間題についても定性的予測が可能となる。
それぞれの作品について
写真aは流れの状態を決定する無次元パラメータであるレイノルズ数ReがRe＝22,000
の場合の流脈線，タイムライン，圧力分布図を示している。角柱背後に注目すると，
高レイノルズ数流れであるため乱れを伴っているが、一連のカルマン渦列が形成され
ている様子が観察される。また，乱流域が層流域を取り込むエントレインメント現象
も観察される。
写真bは，流線及び乱流渦粘性の分布図である。乱流渦粘性が高い地点では乱れが
強いことを表しているが，乱れが特に渦の周辺で強くなっている様子が観察できる。
写真cは，計算方法を一部変更した計算結果の流線及び渦度分布である。渦度分布に，
計算格子に依存したパターンが見られ，計算がうまく行われていない様子が観察され
る。このような数値的不安定の発生をいかに抑えるかという事が流体の数値計算にお
ける一つの課題であり，そのために種々の計算手法が考案されている。