渦セルモデルを用いた気液界面における気体交換機構の解析

摘要

気液界面におけるCO_2，O_2などの気体交換機構を明らかにすることは，環境変動の予測手法を確立する上で重要である．CO_2，O_2などの低溶解性の気体は液側抵抗支配となるため，液側の乱流状態が気液界面での気体フラックスを規定する．理想的な界面での気体交換速度kLを最少変数で表すと，乱流渦の長さスケールL，速度スケールV，分子拡散係数Dの関数になると考えられる．気体交換を支配する乱流渦のスケーリングは，エネルギー保有領域の乱流渦によるとするLarge eddy modelとエネルギー散逸領域の乱流渦によるとするSmall eddy modelの大きく2つに分類される．振動格子乱流は，近似的に平均流がないと見なすことのできる理想的な乱流場であり，その気液界面での気体交換機構に関する研究例も幾つかある（Chu and Jirka，McKenna and McGillis，中村·村井， Herlina and Jirka）．しかし，気体交換速度のスケーリングについては，Large eddy model とSmall eddy model の両方の立場の主張があり，どちらのモデルが有効であるかの明確な結論は得られていないのが現状である．本研究の目的は，渦セルモデルによる理論解析結果と振動格子乱流場を直接計測した実験結果を比較·検討することによって，気体交換を支配する乱流渦のスケーリングについて検証を行うことである．