噴流（ジェット流れ） — 先端技術と研究動向

噴流のせん断層には複数の不安定性モードがある。

• Kelvin-Helmholtz 不安定性: せん断層のロールアップ。最初に現れる不安定性。波長はせん断層の運動量厚さ $\theta$ に比例
• Preferred mode: 噴流全体のカラム不安定性。$\mathrm{St}_D = fD/U_0 \approx 0.3\text{--}0.5$
• 方位角モード: $m = 0$（軸対称）、$m = \pm 1$（ヘリカル）など。$m = 0$ と $m = 1$ が最も増幅される

Crow & Champagne (1971) は噴流のpreferred mode を $\mathrm{St}_D \approx 0.30$ と報告した。これは噴流カラムの固有不安定性に対応する。

亜音速噴流の騒音には2つの成分がある。

1. Fine-scale turbulence noise: 小スケール乱流の音。全方向に放射。高周波成分

2. Large-scale structure noise: 大規模波動構造（instability wave）による音。ダウンストリーム方向（浅い角度）に放射。ピーク周波数 $\mathrm{St}_D \approx 0.2$

後者はMach波放射とも呼ばれ、対流速度が周囲の音速を超えるとMach cone を形成する。超音速噴流で支配的だ。

実用化されているものを含めて紹介しよう。

• シェブロンノズル: ノズル後端に鋸歯状の突起。大規模構造を崩して騒音を $2\text{--}3$ dB 低減。実際の航空エンジンで使用
• マイクロジェット噴射: ノズルリップ周囲から小さなジェットを噴射。せん断層の発達を制御
• プラズマアクチュエータ: DBD プラズマで流れにモーメンタムを注入
• タブ（突起物）: ノズル内壁に突起を設置。ストリームワイズ渦を生成して混合促進

Stanford / Cascade Technologies の噴流 LES プロジェクトが有名だ。Bres et al. (2017, 2018) は $Re \sim 10^6$ の噴流を $10$ 億セル規模の LES で計算し、遠方場騒音を精密に予測した。

また、物理インフォームドニューラルネットワーク（PINN）を使って、限られた計測データから噴流全体の流れ場を再構成する試みも進んでいる。Raissi et al. の研究が先駆的だ。

数千〜数万GPUの大規模並列計算だ。Charles（Cascade Technologiesの非構造格子ソルバー）はGPUに最適化されている。学術コードでは nekRS（Nek5000 の GPU版）も注目されている。