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unstable flow of a liquid or gas (同)turbulency
a state of violent disturbance and disorder (as in politics or social conditions generally); "the industrial revolution was a period of great turbulence" (同)upheaval, Sturm und Drang
instability in the atmosphere

PrepTutorEJDIC

荒れ狂うこと,激動,混乱;動乱,騒動 / 乱気流

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出典(authority):フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』「2015/12/08 05:02:34」(JST)

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乱流（らんりゅう、英: turbulence）は、流体の流れ場の状態の一種。乱流でない流れ場は層流と呼ばれる。

乱流の確立した定義は現時点においても存在しないが、数学的にはナヴィエ・ストークス方程式の非定常解の集合であるということができる。層流と乱流のおおよその区別はレイノルズ数によって判断され、レイノルズ数の値が大きいと乱流と判断される。また、層流が乱流に遷移するときのレイノルズ数を臨界レイノルズ数という。

生活の中でのわかりやすい例としては水道の蛇口から流れる水がある。水道の水は流れが少ないときはまっすぐに落ちるが、少し多くひねると急に乱れ出す。このとき前者が層流、後者が乱流である。生活の中で見られる空気や水の流れはほぼ全てが乱流であるだけでなく、熱や物質を輸送し拡散する効果が非常に強いので工学的にも非常に重要である。

乱流の数値シミュレーションは、気象予報や自動車等の空力設計からノートパソコンの冷却まで工学的には非常に幅広く利用されている。しかし高い計算機性能を要求するため、スパコンなどHPC（高性能計算）の重要な用途の一つになっている。

例

乱流の例を以下に挙げる^[1]。自然界で見られる流れや、工業製品に応用される流れはほとんど乱流であり、層流のほうがむしろ例外である。

気象・大気力学

乱気流
地球大気圏における境界層
対流圏上層部のジェット気流
積雲
メキシコ湾流

天文学

太陽の光球
星雲
太陽風が地球に吹いて地球の風下にできる後流
微視的乱流

工学・その他

乱流翼
ナックルボール
マイクロファイバーによる乱流摩擦抵抗低減効果
飛行機の翼の表面にできる境界層
燃焼
パイプライン中の天然ガスや石油の流れ
川や運河の水の流れ
船や車、潜水艦や飛行機の後ろにできる後流
煙突から立ち上る煙

性質

乱流には以下のような性質がある^[1]。

不規則性: 乱流の解析は決定論ではなく、統計的手法による。
拡散性: 乱流では乱流粘性によって、運動量、熱、質量等の輸送量（流束）が層流に比べ増える。
レイノルズ数が大きいこと: レイノルズ数が十分大きくなると、運動方程式の粘性項と慣性項の相互干渉に関連した不安定性がもとで乱流が起こる。
3次元の渦運動: 乱流の特徴の一つとして強い渦度変動が挙げられる。また3次元的であることも重要な性質で、2次元の乱流には渦を維持するメカニズムがはたらかず、ランダムな渦度変動を維持することができず消えてしまう。
散逸性: 粘性によるせん断応力仕事によって乱流の運動エネルギーは消費され内部エネルギーに変わる。そのため乱流を維持するためにはこの損失を補填する継続的なエネルギー供給が必要である。
連続性: 特殊な場合を除いて、乱流で生じる最小の長さスケール（コルモゴロフのスケール）でも分子運動の長さスケールよりは十分に大きい。
乱流は「流れ」という現象である: 乱流は流体の性質ではなく、流れのひとつの現象である。流体の種類（気体・液体、分子構造）が何であっても乱流の主な動力学的性質は同じである。
多重スケール、エネルギーカスケード^[2]: 2つの波数モードが結合して別のモードの運動が誘起される。このため、流れに注入されるエネルギーが大きなスケールから、粘性による散逸が支配的になる小さなスケールに伝達され、広いスケール範囲にエネルギーが分布する。これは、大きな渦が壊れて少し小さな渦になり、さらにその渦が壊れより小さな渦になるというイメージで説明される。
粘弾性流体との類似性^[3]: 層流状態の粘弾性流体と、乱流状態のニュートン流体（を粗視化してみた流れ）とが示す振る舞いが似ていることが指摘されている。

乱流モデル

詳細は「乱流モデル」を参照

乱流はさまざまな場面で存在するため、数値流体力学においてもその解析は必須である。しかし上記の性質のために、解析には困難が多く、特に直接数値シミュレーションは計算資源の要求が高いので、代わりに乱流をモデル化する必要がある。

RANS（英語版）
LES（英語版）
DES（direct eddy simulation）

参考文献

^ ^a ^b H. Tennekes、J. L. Lumley、藤原仁志、荒川忠一訳『乱流入門』東海大学出版会、1998年。ISBN 978-4-486-01440-9。
^ 横井ら編、8頁。
^ 横井ら編、85頁。

横井喜充、下村裕、半場藤弘、岡本正芳編『乱れと流れ』培風館、2008年、85頁。ISBN 978-4-563-02289-1。

UpToDate Contents

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Japanese Journal

GPUクラスタHA-PACSにおける核融合シミュレーションコードの性能評価

藤田典久 ,奴賀秀男 ,朴泰祐 ,井戸村泰宏
情報処理学会研究報告. [ハイパフォーマンスコンピューティング] 2013-HPC-140(39), 1-7, 2013-07-24
… はトカマクプラズマ中における乱流現象を対象として,核融合シミュレーションを行うプログラムである.これまでの研究で,GT5D を 1 ノードに複数の GPU を搭載するクラスタに向けて最適化を行い,GT5D の時間発展を行う部分のおよそ 80% の部分について GPU 化と,一部通信において計算とのオーバーラップを実装した.大規模マルチ GPU クラスタ HA-PACS を用いて実験を行い,CPU のみの実行と比較してオーバーラップを有効に …
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ジャイロ運動論による磁化プラズマ乱流の研究 : 核融合から宇宙まで

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… 核融合装置や宇宙空間中に普遍的に存在するプラズマの物理的性質は,背景に存在する磁場により大きな影響を受ける.このような磁化プラズマにおける微視的な不安定性や乱流現象を記述するための理論モデルがジャイロ運動論である.ジャイロ運動論では,磁力線の周りの粒子の旋回(ジャイロ)運動に関わる角変数について粒子分布関数を平均化することにより,取り扱う位相空間の次元を減らすことができるため,理論・ …
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