乱流はどこから始まるのか ―壁ぎわに現れる未知の微細な流れ構造を発見―

2026-10-22  東北大学

東北大学流体科学研究所の焼野藍子准教授は、層流から乱流へ移行する直前の境界層に、これまで十分に把握されていなかった微細な流れ構造が現れることを発見した。航空機や自動車の表面では、整然とした層流が乱流へ変わると摩擦抵抗が増大するため、乱流への遷移を遅らせることが省エネルギー化の重要な課題となっている。研究では、高解像度の直接数値計算を用いて遷移直前の流れを解析し、壁面に近い領域に、境界層厚さの0.35~0.55倍という波長を持ち、スパン方向の速度変動が約45度傾いた微細なコヒーレント構造を特定した。この構造は、同じレイノルズ数で従来報告されていたものより微細で、古典的なトルミーン・シュリヒティング波の不安定性では説明できない。また、壁面近傍の速度変動を数値的に抑えると、下流での乱流渦の発達が弱まることも確認した。本成果は、乱流発生の初期過程の理解を深め、航空機や自動車の摩擦抵抗低減に向けた流れ制御技術の設計指針につながる可能性がある。

乱流はどこから始まるのか ―壁ぎわに現れる未知の微細な流れ構造を発見―
図1. 遷移が始まる直前の壁面近傍に現れた、約45度に傾いた周期的な流れ構造。波長は境界層厚さの0.35〜0.55倍である。

<関連情報>

遷移境界層の壁面近傍における新たなコヒーレント流構造 New coherent flow structure near a wall in the transitional boundary layer

Aiko Yakeno
European Journal of Mechanics – B/Fluids  Available online: 16 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2026.204656

Abstract

This study identifies and characterizes a coherent flow structure that has not previously been characterized in detail, residing extremely close to the wall in a flat-plate boundary layer undergoing laminar-to-turbulent transition. High-resolution direct numerical simulations (DNS) reveal the structure within the innermost 14.3% (≤0.143) of the inlet boundary layer thickness, with streamwise and spanwise wavelengths in the range 0.35–0.55, one to two orders of magnitude smaller than those of any known transitional flow structure at the same Reynolds number. The structure is characterized by a 45-degree oblique spanwise velocity pattern, correlated negative pressure and streamwise velocity fluctuations, and alternating wall-normal velocity fluctuations. Its spatial scale and orientation are robust across different forcing conditions, grid resolutions, and Mach numbers (=0.1–0.3), confirming a physical origin rather than a numerical artefact. Orr–Sommerfeld analysis rules out Tollmien–Schlichting wave instability as the origin. Numerical filtering tests show that suppressing near-wall fluctuations in this region weakens downstream turbulent vortex structures, suggesting that the structure participates in the transitional process. Comparisons with linear transient growth analysis indicate that short-target-time parallel modes yield wavelengths consistent with the DNS observations, suggesting a possible connection to non-modal amplification, although a definitive causal explanation requires further investigation. These results contribute to the understanding of early-stage transition mechanisms and point to potential targets for near-wall flow control strategies.

0106流体工学
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