カルマン渦

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カルマン渦列のシミュレーション

カルマン渦(カルマンうず、: Kármán's vortex[1])またはカルマン渦列(カルマンうずれつ、: Kármán's vortex street[2] )は、流れのなかに障害物を置いたとき、または流体中で固体を動かしたときにその後方に交互にできるのことをいう。ハンガリー人の流体力学者セオドア・フォン・カルマンにちなむ。

現象[編集]

渦放出の周波数と流速の関係は、それらを無次元化したストローハル数Stレイノルズ数Re によって、一般にSt = f (Re ) と表される。

物体が円柱の場合、Re = 103 - 105 の範囲では、St = 約0.2 でほぼ一定とされる[3]

気象現象におけるカルマン渦[編集]

カナリア諸島とマデイラ諸島から南南西に伸びるカルマン渦型の雲

冬季の屋久島済州島(チェジュ島、韓国)など、島の風下側に雲渦が列状に並びカルマン渦を形成することがある[4][5]。この雲渦は主に下層の層積雲で構成される。高さ1km付近に顕著な気温逆転層があり、山頂がその上端よりも高く、風向がほぼ一定で比較的強い風が吹くなどの一定の条件がそろうと発生することがある。雲渦ができる高度は500 m~2,000 m程度、長さはおよそ500 km~1,000 km、渦の直径は20 km~40 kmとなることが多い。[要出典]

タコマ橋崩壊との関連[編集]

崩壊するタコマ橋

アメリカ合衆国で起きたタコマナローズ橋崩壊事故の原因はカルマン渦の発生メカニズムと同一である。横風の中、剥離の発生しやすいH型断面の橋梁に、カルマン渦を生じるような不安定な剥離が起こり上下に橋が振動、共振し崩壊に至った。この事故後に建設された橋では剥離を抑えるよう流線型に近い断面形状を採用するなどの対策がなされた。余談だが、この事故の調査委員会にはカルマン自らも参加していた。[要出典]

流量計への応用[編集]

あるレイノルズ数の範囲内では、単位時間当たりに発生する渦の数は流速(流量)に比例するので、この原理を用いた流量計が工業分野で用いられている。これを渦流量計という[3]

自動車エンジンを電子制御する際に、吸入空気量を常に測定する必要があるが、流路に障害物を置きその後ろに発生するカルマン渦の数を超音波で計測する方式が日本車へ採用された事例がある。

逆カルマン渦[編集]

は泳ぐときに尾びれを運動させ後方に千鳥配置の渦列を作る。これはカルマン渦に似ているが渦の向きが逆であり、逆カルマン渦と呼ばれる[6]。逆カルマン渦は安定した渦列ではないが、渦の向きが逆であるために後流に発生する誘導速度が推進力を生み出す。

脚注[編集]

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  1. ^ 文部省日本気象学会編 『学術用語集 気象学編』 日本学術振興会1987年、増訂版。ISBN 4-8181-8703-8
  2. ^ 文部省日本物理学会編 『学術用語集 物理学編』 培風館1990年ISBN 4-563-02195-4
  3. ^ a b 五十嵐保; 杉山均 『流体工学と伝熱工学のための次元解析活用法』 共立出版、2013年、63-64頁。ISBN 978-4-320-07189-6 
  4. ^ 2005年11月18日済州島風下で発生したカルマン渦 気象庁 衛星画像事例集 (PDF)
  5. ^ 2003年3月 チェジュ島の風下に現れたカルマン渦 気象庁 衛星画像事例 (PDF)
  6. ^ 鈴木和夫 『流体力学と流体抵抗の理論』 成山堂書店、2006年、68頁。ISBN 4-425-71361-3 

関連項目[編集]

外部リンク[編集]