気泡乱流 (PoF, 田中)

田中克典（2022年度M2修了）の修士論文を基にした論文が、修了から３年半がかかりましたが、Physics of Fluids に採択されました。

[Kanagawa, T. and Tanaka, K., “Effect of liquid-phase Reynolds stress on weakly nonlinear pressure waves in bubbly flows,” Physics of Fluids, Vol.~38 (2026), in press.]

気泡流中を圧力波がどのように伝わるかを予測する理論は、これまで「液相が層流である」という前提で作られてきました。一方、水力機械を思い浮かべるまでもなく、液相はふつう乱流です。
本論文では、液相が乱流と層流で、圧力波の伝播は変わるのか？という問いに答えました。その結果、乱流があってもなくても、波の伝わり方はほとんど変わらず、違いは数パーセント以下でした。なぜなら、圧力波は乱流よりもずっと速いためです。渦が一回りする間に、波はとっくに通り過ぎてしまい、渦は波に何かを渡す暇がないのです。
この結果には実用上の意義もあります。乱流を計算に入れようとすると、実験で決めなければならない数値がいくつも必要になり、気泡乱流ではそれが決まっていません。効かないと分かった以上、その厄介な作業をしなくて済みます。半世紀にわたり使われてきた理論に、初めて「使ってよい」という裏づけが与えられたことになります。なお、気泡が密に詰まった液体では話が変わり、乱流が効いてきます。どこから効きはじめるかも、あわせて示しました。

＃　アイキャッチ画像はChatGPTによる生成画像であり、雰囲気を伝える概念図です。論文中の図とは対応しておりません。学術的内容については論文本体をご参照ください。

The paper by Katsunori Tanaka (completed the Master’s program in FY2022) has been accepted by Physics of Fluids.

[Kanagawa, T. and Tanaka, K., “Effect of liquid-phase Reynolds stress on weakly nonlinear pressure waves in bubbly flows,” Physics of Fluids, Vol. 38 (2026), in press.]

Theories that predict how pressure waves propagate through bubbly flows have, until now, been built on the premise that the liquid phase is laminar. On the other hand, the liquid phase is normally turbulent, as one need hardly recall hydraulic machinery to see.

This paper answers the question: does the propagation of a pressure wave change depending on whether the liquid phase is turbulent or laminar? The result was that the way the wave travels is almost unchanged whether turbulence is present or not, the difference being no more than a few percent. The reason is that a pressure wave is far faster than the turbulence. In the time an eddy takes to turn once around, the wave has long since passed by, and the eddy has no spare moment to hand anything over to the wave.

This result also has practical significance. If one tries to take turbulence into account, several quantities that must be fixed by experiment become necessary, and for turbulent bubbly flow these have not been determined. Now that turbulence has been found not to matter, that troublesome work can be dispensed with. This means that a theory used for half a century has, for the first time, been given the backing to say that it may be used.

It should be added that in a liquid where the bubbles are densely packed, the story changes and turbulence does take effect. Where it begins to take effect has also been shown in this study.