「渦輪」とは，細長いチューブ状の渦領域が閉じたループを形成しているものです。皆さんは竜巻やつむじ風など，渦巻を伴う流れを見たことがあるでしょう。渦輪は，そのような渦巻きの両端がつながってループになっているものです。

　下の図を見てください。水色の領域が渦輪で，中の流体は黒矢印の方向に回転しています。回転に引きずられて周囲に誘起される流れによって，渦輪は図の左方向に進行します。回転方向が逆向きの場合には，進行方向も逆向きになります。渦輪の進行によって，渦輪の中の流体（水色）は一緒に運ばれて行きます。このように渦輪は自力で運動し，流体を輸送する能力を持っているのが大きな特徴です。

　なんだか見慣れない現象だと感じられるかもしれませんが，実は渦輪は私達の身の周りで頻繁に，普遍的に起こっている現象です。空気や水といった流体の中の流れは通常目に見えないので，珍しいと感じてしまうのです。

　流れの中に多数の小さな粒子が含まれていたり，周囲と異なる流体が渦輪に含まれる場合などに，渦輪を直接観測できることがあります。例えば，タバコの煙や火山の噴煙などでできる輪っか（スモークリング），イルカの作るバブルリングなどです（下図）。You Tubeなどで検索すると，美しい渦輪の動画を沢山見つけることができます。是非一度探してみてください。

• 動画１：エトナ山の噴煙で形成されたスモークリング（リンク）

• 動画２：バブルリングに巻き込まれて回転するクラゲ（リンク）

　渦輪を作るよく知られた方法に，空気砲があります（＊1）。空気砲は，ダンボール箱などを密閉し，一つの面に直径10〜15cm程度の穴をあけたものです。穴を前方に向けて，箱の側面を両手でたたくと，穴から空気のかたまりが勢いよく飛び出します。このように，小さな穴から速度を持った流体が噴出する現象を「噴流（ジェット）」と呼びます。

　渦輪は，それ自身の誘導する速度によって流体の質量と運動量を輸送する高い能力を持っています。この特徴を利用して，様々な生物が推進や飛翔に渦輪を利用しています（＊2）。また工学においては，渦輪は浄水器，ミキサー，燃焼器などの用途に広く利用されています。生成過程や輸送メカニズム，制御方法を解明するために，1世紀以上前から渦輪は研究されており，多くの発見がなされてきました。 

　上でも説明したように，渦輪の大きな特徴の一つは，コンパクトで孤立して持続的に並進運動し，渦輪の内外の流体交換が少なく，その経路に渦輪を構成する流体を取り残すことが少ないことです。この特徴を利用すれば，噴出口から離れた自由空間中の特定の領域に流体を輸送する手段として，渦輪を用いることが期待できます。不必要な空間に輸送流体が拡散してしまうことを削減できれば，省エネルギーやコストダウンにも貢献できます。渦輪自身の形成パラメータは豊富であるだけでなく，渦相互の干渉によって流れ場を大きく変えられるため，通常の噴流より制御が柔軟に工夫できます。しかしながら，渦輪による流体輸送について定量的に調査した例は多くありません。

　そこで本グループでは主に室内実験によって，様々な条件下における渦輪の運動のメカニズムおよび制御（最適な流体輸送特性や推進速度，到達距離，作成方法など）の解明を目指して研究を行っています。

• (＊1) 石原 諭，佐藤 光，三宅 明，松川 敦子「空気砲の物理」物理教育 第56巻 第3号，p.188-192（2008），DOI: 10.20653/pesj.56.3_188

• (＊2）伊藤 慎一郎「生物の飛翔・遊泳時に発生する渦とその反作用の力」数理解析研究所講究録 第1900巻 p.26-36（2014）

• (＊3）R. Damiani, G. Vali, & S. Haimov "The structure of thermals in cumulus from airborne dual-doppler radar observations", J. Atmos. Sci., vol. 63, p.1432-1450 (2006)

• (＊4) wikipedia の写真より引用。写真のリンク

• (＊5) wikipedia の写真より引用。写真のリンク

• (＊6) 日本機械学会のHPの図を引用。図のリンク

• (＊7) 日本機械学会「楽しい流れの実験教室」の動画より引用。動画のリンク

• (＊8) 日本機械学会のHPの図を改変して引用。図のリンク