■ 乱流渦について
■ 乱流渦について
台風が好きなわけではありませんが，(^^ゞ
最新の台風に関する研究結果から，台風は一つの大きな渦ではなく
その中に幾つかの小さな台風が存在することがわかってきています．
ところで，乱流渦とはどこで生まれのでしょう？
それは，乱流境界層の中で生まれるのです．
境界層の中には有象無象！大小様々な大きさの渦が存在します．
これは，最近の発達した数値計算技術により実施されている境界層の
直接計算からもはっきりとしてきました．
さて，この大小様々な渦が，物体表面の角などからはく離するとどうなるか？
境界層自体薄い領域ですから，はく離した渦たちも小さいものです．
それらは，はく離後すぐに集まりより大きな渦を形成します．
回転するコマが集まるようなものです．同じ性質の仲間が集まり，
より大きく強い渦へと成長していきます．
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台風が好きなわけではありませんが，(^^ゞ
最新の台風に関する研究結果から，台風は一つの大きな渦ではなく
その中に幾つかの小さな台風が存在することがわかってきています．
ところで，乱流渦とはどこで生まれのでしょう？
それは，乱流境界層の中で生まれるのです．
境界層の中には有象無象！大小様々な大きさの渦が存在します．
これは，最近の発達した数値計算技術により実施されている境界層の
直接計算からもはっきりとしてきました．
さて，この大小様々な渦が，物体表面の角などからはく離するとどうなるか？
境界層自体薄い領域ですから，はく離した渦たちも小さいものです．
それらは，はく離後すぐに集まりより大きな渦を形成します．
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■ 渦の周波数と空力騒音の周波数
実は，前回の記事
■音を誘起する渦
は今回のための前振りなのです．
前回では，乱流渦が次から次へと通り過ぎることで空力音が発生するといいました．
例えば，渦が１秒間に１０個通り過ぎたとします．
二重極音で考えます．二重極音とは，主に渦が壁面に圧力変動を誘起して
発生する空力音ですね．
ということは，壁から観ると圧力変動が１秒間に１０回発生することになります．
これを１０Ｈｚ（ヘルツ）といいます．
Hz（ヘルツ）とは，CGS単位系で 1/s のことです．つまり，１秒間に何回か？
を現しているだけです．
例えば，お家の電気は 50Hz ですね．そう！交流電気は１秒間に５０回変動
しているのです．
ですから，１秒間に渦が１０個通り過ぎたということは，その渦列は 10Hz ！
なのです！
そして，発生する空力音も 10Hz になるのです！
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■音を誘起する渦
は今回のための前振りなのです．
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例えば，渦が１秒間に１０個通り過ぎたとします．
二重極音で考えます．二重極音とは，主に渦が壁面に圧力変動を誘起して
発生する空力音ですね．
ということは，壁から観ると圧力変動が１秒間に１０回発生することになります．
これを１０Ｈｚ（ヘルツ）といいます．
Hz（ヘルツ）とは，CGS単位系で 1/s のことです．つまり，１秒間に何回か？
を現しているだけです．
例えば，お家の電気は 50Hz ですね．そう！交流電気は１秒間に５０回変動
しているのです．
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■音を誘起する渦
前々回および前回の記事
■ 渦が圧力変動を引き起こす！
■ 渦の大小と空力騒音の大小
では，台風を例に取り圧力変動が発生する仕組みやどんな渦が大きな
空力音を引き起こすのか，説明を試みました．
これらのことから，移動する渦でかつ回転角速度が早いものが大きな
空力音を誘発することがわかると思います．
しかし，台風が一つだけ通り過ぎたら，圧力変動は１回だけです．
台風はマクロな視点ですが，少しミクロにして考えましょう．
つまり．．．
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■ 渦が圧力変動を引き起こす！
■ 渦の大小と空力騒音の大小
では，台風を例に取り圧力変動が発生する仕組みやどんな渦が大きな
空力音を引き起こすのか，説明を試みました．
これらのことから，移動する渦でかつ回転角速度が早いものが大きな
空力音を誘発することがわかると思います．
しかし，台風が一つだけ通り過ぎたら，圧力変動は１回だけです．
台風はマクロな視点ですが，少しミクロにして考えましょう．
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渦の大小と空力騒音の大小
■ 渦の大小と空力騒音の大小
前回の記事 では，渦が圧力変動を引き起こしそれが音になると書きました．
では，さらに具体的に渦と空力騒音とはどんな関係があるのでしょう？
まず，大小です．
一般的に言えば，渦が大きいと発生する空力音も大きくなります．
本当でしょうか？
渦が大きい？ とはなんでしょうか？
渦が大きいとは，サイズが大きいということですね．
音が大きいとは，音圧が大きいということです．
ということは，大きい渦が大きい音圧を発生させるのでしょうか？
答えは否です．
渦というのは流体の回転運動ですから，大きい渦というのは，
広い範囲の流体が回転している状態を指しています．
空力音は渦が物体表面に圧力変動を引き起こした結果，発生します．
（二重極騒音の場合です）
我々の耳に聞こえる音の大きさは，その圧力変動の大きさに直結します．
つまり，圧力変動の大きい場合は聞こえる音も大きいのです．
サイズの大きい渦は．．．．．
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前回の記事 では，渦が圧力変動を引き起こしそれが音になると書きました．
では，さらに具体的に渦と空力騒音とはどんな関係があるのでしょう？
まず，大小です．
一般的に言えば，渦が大きいと発生する空力音も大きくなります．
本当でしょうか？
渦が大きい？ とはなんでしょうか？
渦が大きいとは，サイズが大きいということですね．
音が大きいとは，音圧が大きいということです．
ということは，大きい渦が大きい音圧を発生させるのでしょうか？
答えは否です．
渦というのは流体の回転運動ですから，大きい渦というのは，
広い範囲の流体が回転している状態を指しています．
空力音は渦が物体表面に圧力変動を引き起こした結果，発生します．
（二重極騒音の場合です）
我々の耳に聞こえる音の大きさは，その圧力変動の大きさに直結します．
つまり，圧力変動の大きい場合は聞こえる音も大きいのです．
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渦が圧力変動を引き起こす！
■ 渦が圧力変動を引き起こす！
（空力音発生メカニズムの現象論的説明）
”ここ！乱れが大きいから音が出てるんだ！” とか
”渦があるから音が発生するんだ！” とか，
聞いたことがありませんか！？
私達の耳に聞こえる”音”って．．．音圧ですよね！ごく微小な圧力
ですよ．正確に言うと，微小な圧力変動ですよね．
変動ということは，横軸が時間のグラフで書くと大きさが時間進行と
ともに大小様々に変わる！ということです．
それでは，渦があると何故？圧力変動が発生するのでしょうか？
----------
大きな大きな渦！ そう！ 台風を例にとって考えてみましょう．
台風が近いづいてくると，とっても風が強くなります．つまり，
流速が速くなると言うことです．
外に出て，台風の風に立ち向かってください！
あなたの体にぶつかった風は，あなたにぶつかったことで流速を
弱められ，風の向きも変わってしまいます．
そのときのあなたは，風におされ風の力に負けまいと必死です．(^-^)
この時です！あなたの体に，風が力を発生させたのです．風の流速が
あなたの表面であなたを押す力に，すなわち圧力に変わったのです．
こういうことって皆さん，ご経験ありますよね．
つまり，台風という巨大な渦が近づいてくると，風が発生し風の
ぶつかった箇所には圧力が生まれます．
そして，その渦がいなくなると，圧力もなくなります．
流れの中の小さな小さな渦でも同じ事が起こります．
渦が近づいてくると，圧力が発生します．渦が遠ざかっていくと
圧力がなくなります．
ということは，次から次へと渦がやってくると，圧力が発生しては
なくなり発生してはなくなり．．．を繰り返すことになります．
つまり，圧力の変動が発生することになります．空気は連続体で
つながっていますから，圧力変動も周りに伝わります．
これが，私達の耳には”音”として聞こえる！というわけです．
----------
どうでしょうか？渦と圧力，つながりましたか？
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（空力音発生メカニズムの現象論的説明）
”ここ！乱れが大きいから音が出てるんだ！” とか
”渦があるから音が発生するんだ！” とか，
聞いたことがありませんか！？
私達の耳に聞こえる”音”って．．．音圧ですよね！ごく微小な圧力
ですよ．正確に言うと，微小な圧力変動ですよね．
変動ということは，横軸が時間のグラフで書くと大きさが時間進行と
ともに大小様々に変わる！ということです．
それでは，渦があると何故？圧力変動が発生するのでしょうか？
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大きな大きな渦！ そう！ 台風を例にとって考えてみましょう．
台風が近いづいてくると，とっても風が強くなります．つまり，
流速が速くなると言うことです．
外に出て，台風の風に立ち向かってください！
あなたの体にぶつかった風は，あなたにぶつかったことで流速を
弱められ，風の向きも変わってしまいます．
そのときのあなたは，風におされ風の力に負けまいと必死です．(^-^)
この時です！あなたの体に，風が力を発生させたのです．風の流速が
あなたの表面であなたを押す力に，すなわち圧力に変わったのです．
こういうことって皆さん，ご経験ありますよね．
つまり，台風という巨大な渦が近づいてくると，風が発生し風の
ぶつかった箇所には圧力が生まれます．
そして，その渦がいなくなると，圧力もなくなります．
流れの中の小さな小さな渦でも同じ事が起こります．
渦が近づいてくると，圧力が発生します．渦が遠ざかっていくと
圧力がなくなります．
ということは，次から次へと渦がやってくると，圧力が発生しては
なくなり発生してはなくなり．．．を繰り返すことになります．
つまり，圧力の変動が発生することになります．空気は連続体で
つながっていますから，圧力変動も周りに伝わります．
これが，私達の耳には”音”として聞こえる！というわけです．
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どうでしょうか？渦と圧力，つながりましたか？
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空力騒音が小さい流れ
■ 空力騒音が小さい流れ
一般に空力騒音が小さい流れは，流れ中における速度勾配が小さく
（渦強さが弱い）渦強さの変化や渦運動のない状態の流れであると言えます．
つまり，ツルツルの抵抗ない壁面，微小な段差すらない滑らかな形状の周り
の流れです．
専門的表現では”層流ではく離のない流れ”となります．
逆に”乱流ではく離・再付着のある流れ”が空力騒音の大きい流動状態の
代表例ということになります．
「はく離」とは境界層が壁面からはがれることを意味し，そのはく離した
境界層を「はく離剪断層」と呼んでいます．
そして，そのはく離剪断層が壁面に再度付着する点を「再付着点」と呼
んでいます．
その再付着点付近では，はく離剪断層に含まれる強い渦成分のために
大きな圧力変動が発生し，強い騒音源が発生しているものと考えらます．
余談ですが，”境界層”というと流れの中に”何か目に見えない薄い板
のような層”が存在すると思う方もいるようです．
はく離剪断層についてもそうなのですが，流れ中に”何か特別な空気以外
の層”存在するわけではありません．
主流の流速から急激にゼロになる領域です．
あくまで，連続的な流れの一部です．それが１mmとか2mmとか本当に薄いの
です．ですから，”層”という表現になるんですね．
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一般に空力騒音が小さい流れは，流れ中における速度勾配が小さく
（渦強さが弱い）渦強さの変化や渦運動のない状態の流れであると言えます．
つまり，ツルツルの抵抗ない壁面，微小な段差すらない滑らかな形状の周り
の流れです．
専門的表現では”層流ではく離のない流れ”となります．
逆に”乱流ではく離・再付着のある流れ”が空力騒音の大きい流動状態の
代表例ということになります．
「はく離」とは境界層が壁面からはがれることを意味し，そのはく離した
境界層を「はく離剪断層」と呼んでいます．
そして，そのはく離剪断層が壁面に再度付着する点を「再付着点」と呼
んでいます．
その再付着点付近では，はく離剪断層に含まれる強い渦成分のために
大きな圧力変動が発生し，強い騒音源が発生しているものと考えらます．
余談ですが，”境界層”というと流れの中に”何か目に見えない薄い板
のような層”が存在すると思う方もいるようです．
はく離剪断層についてもそうなのですが，流れ中に”何か特別な空気以外
の層”存在するわけではありません．
主流の流速から急激にゼロになる領域です．
あくまで，連続的な流れの一部です．それが１mmとか2mmとか本当に薄いの
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空力騒音の発生原因
■ 空力騒音の発生原因
空力騒音の発生メカニズムは様々ありますが，渦が原因となって何らかの
作用を及ぼしていることがほとんどです．
渦がどのようにして発生するのか考えてみましょう．
流れの中にある物体表面では空気の粘性により流速が０になります．
そして，その物体表面とそこから少し離れた所との間には，大きな速度差が
生じることが知られています．この薄い領域が境界層と呼ばれています．
そのような境界層の中のほんの小さな一部分（流体要素）について考えると，
その流体要素は上下の異なる速度に接していますから，空気粘性により
速度差の影響を受けて回転させられることになります．
このようにして発生する流体要素の自転運動が，流体力学的な渦と定義さ
れています．
つまり，空気の粘性と速度差がキーワードです．
逆にいえば，速度差があっても粘性のない場合（ポテンシャル流れ）には
渦（＝流体要素の自転運動）は発生しないわけです．
さて，現実的な流れの中で”はく離”などの急激な変化があると流れは
乱流に遷移します．この際，はく離した境界層中では発生していた渦が集
合を始め，より大きくて強い渦（＝乱流組織渦）へと発達します．
さて，ここで”音”の定義を見てみましょう．流体力学において
『音とは，空気中を伝播する微小な撹乱である．』
と定義されています．微小な撹乱とは，圧力変動や密度変動，速度変動など
です．
我々人間が感じる音は，耳の中の鼓膜が振動し，それが電気信号となって
神経を伝わり，脳に到達した情報です．
つまり，原因が何であれ鼓膜が震えれば，それを音として我々は認識する
ということです．
流れに話を戻しましょう．．．．．
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空力騒音の発生メカニズムは様々ありますが，渦が原因となって何らかの
作用を及ぼしていることがほとんどです．
渦がどのようにして発生するのか考えてみましょう．
流れの中にある物体表面では空気の粘性により流速が０になります．
そして，その物体表面とそこから少し離れた所との間には，大きな速度差が
生じることが知られています．この薄い領域が境界層と呼ばれています．
そのような境界層の中のほんの小さな一部分（流体要素）について考えると，
その流体要素は上下の異なる速度に接していますから，空気粘性により
速度差の影響を受けて回転させられることになります．
このようにして発生する流体要素の自転運動が，流体力学的な渦と定義さ
れています．
つまり，空気の粘性と速度差がキーワードです．
逆にいえば，速度差があっても粘性のない場合（ポテンシャル流れ）には
渦（＝流体要素の自転運動）は発生しないわけです．
さて，現実的な流れの中で”はく離”などの急激な変化があると流れは
乱流に遷移します．この際，はく離した境界層中では発生していた渦が集
合を始め，より大きくて強い渦（＝乱流組織渦）へと発達します．
さて，ここで”音”の定義を見てみましょう．流体力学において
『音とは，空気中を伝播する微小な撹乱である．』
と定義されています．微小な撹乱とは，圧力変動や密度変動，速度変動など
です．
我々人間が感じる音は，耳の中の鼓膜が振動し，それが電気信号となって
神経を伝わり，脳に到達した情報です．
つまり，原因が何であれ鼓膜が震えれば，それを音として我々は認識する
ということです．
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