円柱ジェットの安定性と崩壊に及ぼす同心円筒壁の影響

摘要

ノズルから噴出する流体ジェットは，ジェットを伝播する表面張力波の安定性によってその振る舞いが決まる．こうしたジェットの問題は，工学や産業など幅広い分野において重要であるだけでなく，我々の身の回りでも噴水や蛇口からの水の流れの様子や，スプレーからのジェットの噴出の様子などにおいてしばしば観測することができる．これまでの解析的な研究において，液体円柱ジェットに関してはその周囲長さより長い撹乱波長に対してジェットが不安定になることがRayleighによって示されて以来，様々な研究がなされてきた．特に非線形解析において，液柱が表面張力不安定により，大きい主液滴に加えてサテライトと呼ばれる小さな液滴ができる現象も調べられているが，多くの場合，空間周期性のある無限長さジェットが仮定され，Weber 数(=Wb:表面張力に対する流体慣性力の比)が大きい場合の時間発展が主に調べられている．しかしながら実際にはそのような不安定現象は時間，空間的に発展し，崩壊に及ぼすジェットの先端部も重要になる．さらに実際のジェットでは周囲環境として，周囲流体や固体壁の影響を考慮する必要があるが，このような効果はこれまで十分に調べられていないようである．そこで本研究では，周囲環境として，ジェット同軸円筒壁内で周囲流体の運動を考慮したときのジェットの崩壊現象を解析的に調べる．特にジェットと周囲流体の密度比や速度比が，ジェット崩壊形状やサテライト形成に及ぼす影響を明らかにする．