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2010年12月

2010年12月31日 (金)

大晦日の高岩寺(とげぬき地蔵)

 今,12月31日の19時半頃です。14時から17時頃まで買い物に出かけ最後に地蔵通りのマルジの方からお地蔵様の前を通りそこから巣鴨三丁目の横道に入って帰宅しました。

 大晦日の高岩寺を撮ったので載せます。1枚目は暗いですが本当はもっと明るいです。自動かんたんモ-ドで撮っていますが何故かフラッシュが働きませんでした。2枚目が現実の明るさです。

 お寺であって神社ではないのですが神仏混交の日本では関係なく初詣での対象なので屋台など準備中のようです。(昔,木場(豊洲)に住んでた頃,元旦に自転車で門前仲町に行ったときも,富岡八幡宮と深川不動尊の両方に詣でました。)

 巣鴨高岩寺では元旦,2日の初詣ででは長い行列を並んだ後にオチョコ一杯の振る舞い酒があるはずです。少し離れた千石1丁目~4丁目の方には大鳥神社(お酉様)もあります。

    

     

     

         

PS:丁度今,TV朝日の番組を垂れ流しにしていて,老齢年金に関しての池上彰氏の解説を聞くとはなしに聞いていました。

 この説明は,実際に65歳から頂ける総年金分の約半分である厚生年金分を60歳の誕生日から貰っている私の身からすると,間違いではないが受給者が損をしてしまいかねない紛らわしい表現をしていると感じました。

(最近の番組での池上彰氏の解説は全分野ではないけれど,知らないことを吸収するのに概ねわかりやすいと感心して見ていますが。。)

 確かに,正式には65歳からしか貰えない国民年金分を60歳から前倒しにして,60歳からでも受け取ることが可能な,私の場合は"総年金=(国民年金分+厚生年金分)"の約8割を60歳から受け取るようにした場合,

 65歳になってもその約8割受給のままで76歳くらいになって,やっと10割受給を回復できるということを社会保険窓口の担当者に説明されました。

 私の場合,支払った総期間が約31年間で,そのうち厚生年金として支払っていた会社員時代が約15年間なので厚生受給分は全体の約半分です。

(イヤ,私が76歳まで生きるのは恐らく無理だとも思うし,私はそうした前倒しの申請はしてませんが,厚生年金分は受給しています。)

 しかし,約半分である厚生年金分の方は60歳から貰っても決して前倒しという意味はなくて,現在無職かまたは月収42万を超える厚生年金対象の仕事をしてるのでないなら,むしろ60歳から受けるのが当然の権利です。

 つまり,60歳から,半分の厚生分を貰ったからといって,65歳からの"総年金=(国民年金分+厚生年金分)"が減るということはないわけです。

 サラリーマンとして働いていない種類の青色申告系の芸能人,プロスポーツ選手や自営業であれば,元々厚生年金分はゼロなので,池上氏のご説明の通りで問題はないでしょう。

 しかし,60歳になってサラリーマンとして支払っていた厚生年金分を貰える立場であれば,むしろ60歳から65歳に貰える分を申請もせず放っておくと5年で時効で消えるそうです。

 例えば,66歳誕生日まで全く申請をしないと60~61年分の1年分の受給資格を失効して4年分しかなくなり,70歳誕生日まで全く申請しないと60~65歳分の5年間受給分の全てが時効で消えてしまうらしいです。

 その代わり,もし65歳誕生日直前までにまとめて60~65歳に受給可能分の申請手続きをしたとしても,60歳時点までさかのぼって時効でない5年間の全ての厚生年金分が貰えるということです。

 したがって,現在65歳より前であって別段年金を貰う必要もない身分であるか,または年金などいらないという方なら決して慌てる必要はないです。

 厚生年金分は正式に60歳から受給資格があるので,60~65歳の間に貰ったからといって65歳からの分が減るわけではなく,65歳からは正式な国民年金分がプラスされるだけで60歳から厚生分を貰おうが貰うまいが65歳からの受給額は同じで減ることはないです。

 ただ,60歳から65歳までの間全く貰ってない場合には,申請さえすれば時効でない分の全部を一時金としてまとめて受けられるはずです。

 私自身も,以前はどんな種類の年金も65歳からの受給が正式であって前倒しで貰うと65歳からの受給分が減るという誤まった認識をしていました。

 しかし,60歳を超えて厚生年金対象の収入がない,または限度額より小額の収入しかないなら,現行の厚生年金受給資格は65歳からではなく正式に60歳からであり,申告すれば当然貰う権利があり,むしろ貰わないと消えます。

 夏に年金受給申請をした時に窓口の担当の職員の説明で,こうしたことを理解して誤解は解けました。

 しかし,こういう内容のことも申請当事者への説明義務がある場合か,または取り立てて聞かれなければ積極的に説明しない,もしくは大々的にプロパガンダもしないというような年金関連省庁の公務員の体質はオカシイのではないか?と,一応担当者の彼に主張はしておきました。

 私の以前の認識のように,普通常識では年金は全て先に貰うと減るという誤解をしてる方の方が多いと思うので,財源がないからこれ幸いとこれについてのわかりやすい説明をしないのは怠慢と感じています。

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2010年12月30日 (木)

休みだあ。。

 本日30日から年末年始休暇です。

 ネー,ウシ,トラ,ブー。。。ん?来年はブタ年?

 (↑ウに濁点付けるのは余計だよ。)

 アルプスの少女ハイジにも似た天使に会えないのも淋しいなあ。

 早朝から掃除,洗濯と似合わないことをして部屋を整理しています。年末だからというわけではなく久しぶりの連休で心に余裕ができたからです。

 病気のせいでしょうか,数年前から疲れやすく1時間外出すると2時間の休息,2時間外出すると4時間の休息というように,外出時間の倍くらいの十分な休息を取らないと,体調が元に戻りません。

 なのに相変わらず睡眠障害のようで熟睡はほとんどないので仕方ないですね。ですからこうした連休だと,時間気にする必要がないのでときどき自然に生じる爆睡が起きるような気がして期待しています。

PS1:ふと昨年11月のヘルパー実習を思い出しました。

 1日目の訪問介護では近くにコンビニがあったので昼食はサンドイッチを食べて済ませましたが,次の赤羽の特別養護老人ホームでの3日間は定食しかない館内食堂の食券を朝買って予約するしかありませんでした。

 私の食費予算は1日300円がやっとだったので,毎日昼食抜きでお茶だけ飲んでたら,親切な方に「味噌汁だけはお代わり自由だからあなたも飲んでいいのよ。」と言われてうれしかったのを思い出しました。

 ってミジメだなあ。。貧乏人は。

 自分で弁当でも作っていけばよかったんだろうけど何か余裕がなかったんだよね。当時は。。。

PS2:椅子ではなく,畳やベッドのように低い姿勢から何にもつかまらず立ち上がるのに異常にエネルギ-が必要だったり,足が不自由できつい以外にも手すりにつかまらないと階段の上り降りができなかったり,外ではなく自室でバランスをくずして転倒することが多いのは単に平衡感覚が不足しているだけなんでしょうか?

 また,両手にものを持ってると(紙切れ一枚でも)一歩も動けず固まってしまい,片手に移してやっと動けることもしばしばです。

 歩きながら財布を開けたりもできず立ち止まらないとだめです。歩くのも含めて2つ同時の運動行動をすることがむずかしくなってきています。

 医療費だけは優遇されてるらしいので,脳ドックや脳血流からのガンマ線写真も取りましたが,脳は梗塞の兆候もなく全く健康らしいです。

 パ-キンソンでもギランバレーでも小脳の縮小でもないと思うのですが。。

 いまさらながら健康は大切だったなと思います。病気になって得たものもあることはあるのですが。。(例えば障害者目線とか,手術体験とか。。。)

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2010年12月25日 (土)

塚田真希チャン引退!

 北京五輪柔道78kg級銀メダリストの塚田真希さん(28)が引退して指導者を目指すらしいです。(Yahooニュース → http://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20101224-00000020-maip-spo ) 

 下の写真は,2008年8/15のブログ記事「塚田真希チャン」で当時の産経ニュ-スから転載したものです。

    

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2010年12月24日 (金)

今後の科学記事の計画(一段落しました)

 今夜はクリスマス・イブですね。12月の今頃になって,なんとか光熱費,携帯,ケーブルTV,プロバイダ料金滞納分や1件だけあった飲み屋のツケなど大きな負債以外の当座の借りを返して,PCやオーディオもほぼ8月初めの引越し前の状況を復活できました。長かったです。

 これを機会にたくさんあると思われる科学系のシリーズ記事で途中で停止中,Pending中のものを調べてみると以下の通りでした。

 数学系では「形式論理学(5)まで」,「ブラウン運動と伊藤積分(10)まで」,「相対論の幾何学(第Ⅲ部-4)まで」,「フックス関数の理論(ポアンカレ..)(2)まで」があります。

 そして,物理関係では,「超弦理論(27)まで」,これと関連して「共形場理論(4)まで」,また「束縛状態とベーテ・サルピーター方程式(9)まで」,そして関連して「積分方程式(2)まで」,や「定量的地震学・6まで」があります。

 さらに,BCSの一人Schriefferの教科書の翻訳を兼ねて書き初めた「超伝導の理論(4)まで」,これはPendingで止まっているうち,ついに邦訳が出版されたようですね。

 シュリーファー「超伝導の理論」(丸善プラネット株式会社)です。苦労して苦手の英文読むこともないので,こちらに走ろうかな?

 地球温暖化を解明しようという動機から始めた「光(電磁波)の散乱(4)まで」や,私がサブシスをしている掲示板folomyの「物理フォーラム」での質問に答えるため書いた「原子核のγ崩壊とメスバウアー効果(6)まで」,

 そして,続きを書く準備はできているけれど今いち気持ちが乗らない「遅延選択実験(タイムマシン?)(5)まで」と「多原子系の方法論(分子軌道)(3)まで」,「分子と点群(3)まで」他があります。

 (↑タイムマシンの実現には通常の時空のワームホールを利用するワープ(時空のshort-cut)という大掛かりな方法の他にも,ミクロな量子テレポーテーション,あるいは量子通信を発展させる方法もアリかな?と考えています。)

(※ちなみにワームホール(wormhole;時空の虫食い穴)とは重力崩壊の果てに生じるブラックホールと,宇宙のビッグバンに典型的に見られる重力方程式の膨張する解の果てにあるホワイトホールを組み合わせたトンネルです。)

 また,既に応用編に入っていて,さらに続けるかどうかが微妙な「散乱の伝播関数の理論(20)まで」もありますね。

 他方,ちゃんと終了したものと,もう続ける予定のないシリーズものには以下のものがあります。

 まず,数学~数理物理学系では,ちゃんと終了したものとして「ガロア理論(1)~(5)+(補遺)」,「常微分方程式の解の存在定理①~⑦」,これに付随して「ベキ級数解の存在(コワレフスカヤの優級数)(1)~(3)」と「解の一意性のための必要十分条件(岡村博氏による)(1)~(2)」,

 そしてフックス関数につながる「超幾何微分方程式の代数関数解(1)~(5)」,「確率と分布関数(1)~(11)+(補遺)」」,数物中間の「相対論の幾何学(第Ⅰ部-1~12)」,」,「相対論の幾何学(第Ⅱ部-1~7)」他があります。

 物理系では,古くは出版も検討したけれど挫折した「サルにもわかる相対性理論①~⑥」と,かつての専門学校の講義ノ-トから「基礎物理学講座①~⑤」があります。

 その他のちゃんと終了したものは,「電場と電束密度,磁場と磁束密度(1)~(4)」,「電磁気学と相対論(1)~(8)」,「運動物質内の相対論(1)~(15)」,

 「球対称時空解(シュバルツシルト解)の導出(1)~(4)」,「光電効果と光の量子論(1)~(2)」と「ヤングの干渉実験(1)~(8)」,「電磁波の放射(1)~(8)」,

 さらには,「ベリーの位相とアハラノフ・ボーム効果(1)~(5)」,「原子核のα崩壊の理論Ⅰ,Ⅱ」,「カルツァ・クラインの5次元統一場理論(1)~(3)」,「電磁場の共変的量子化(1)~(3)+(補遺)」,「S行列とレッジェ理論(1)~(15)」があります。

 そして,記事は古いけれど物性理論の「フォノン(1)~(3)」,「ハートリー・フォック近似(1)~(3)」,「フォノンと多体問題(1)~(4)」(順不同)他ですね。

 停止しているものについては,その理由があるものもありますが,大抵は熱しやすく醒めやすい性質のため,別に興味が移っただけです。挙句にカバー.範囲を広げ過ぎた感もありますね。

 理由がある場合の理由としては途中で疑問に引っかかったのが主です。

 例えば,「共形場の理論」では種本が完全に数学書ではないためか,ある言葉の定義が曖昧と感じて完全には理解できず,類書も少ないので調べているうちに挫折中になりました。

 「原子核のγ崩壊とメスバウアー効果(6)まで」は,一見終わりのように見えますが,記事内部で遷移確率の半古典的方法による計算と純粋に量子的方法による計算との結果の係数がうまく一致しないので考慮中です。

 この問題の解決から,科学記事を再開しようかなと画策しています。

PS:全部が片付いたと思ってたら,最近20型のブラウン管TVのスイッチ点滅が激しく見辛いです。

 ケーブルTVがつながっていてアナログTVながら既に地デジ化してるので2011年7月になってもかまわないので,液晶など薄型を購入するとしても,ずっと後の余裕のあるときでいいと思っていました。

 しかし,当座のつなぎに誰かが処分した同じくらいの大きさのブラウン管TVでもロハで入手できないかな?と思いましたが,最近は粗大ゴミ放置規制やリサイクル法などの規制も厳しいらしく,かつてのようにゴミ置き場に落ちてるなんてことはないみたいです。

 それに,そうしたものは発火したりする危険性もあって素人には危ないしね。

 とはいっても,逆にかつてはそうしたゴミを利用できたかもしれない路上生活者や低所得者にとっても厳しい状況ですね。

PS2:無差別殺人の逆:「自分が無差別に(自分を除く)誰に殺されてもいい。」というのもアリかな。でも自分を殺した人が罪に問われることまで救うことはできないなあ。。

 最近キレイゴトばかり言っています。

 自分の子供が対象であれば,身を張ってでも盾になるのは恐らく自然な行為でしょう。

 でも,それで自分が死んでしまっては(片)親のない子供の将来が心配ですから,キレイゴトでは通らないと思います。

 しかし,自分の子供も身内も近くにいませんが,何故かこのごろ身を張って守る対象がいたるところにいるように思えて勝手に幸せ感を感じています。

 でも,相手の面前でいくらやさしい「おためごかし」や,まるでカリスマ教祖のような「ご託宣」を述べても,相手が本当にいざというときに逃げてしまわない自信がありません。

 あるいは,仮に夜中に自宅から「これから自殺する。」とか連絡が来ても警察等に連絡する程度にしか面倒を見切れる自信がないです。

 目の前の危機であれば,命まで賭ければなんとか回避可能でしょうが,どんな場合でも最後まで責任取れると限らず,面倒も見切れないなら,所詮は「おためごかし」のキレイゴトです。

 自分は,神様じゃないし超能力も金もなく,「ごくせん」や「サラ金太郎」のようにケンカが無茶苦茶強いということもないんだから仕方ない。

 とまた言いわけです。。。

(もともとそばにいることで自分が幸せになる自信はあっても,他人を幸せにする自信はない単なるエゴイストで,かつ楽観主義者(オプティミスト)ですから)

 長くて辛い生,痛い,苦しい,キタない,クサい,の繰り返しより,他人の盾であろうとなかろうと恐らく一瞬のポックリの方が本人もまわりも楽なことでしょう。

 いまさらスタンドプレーをしたり予め防御線を張ってウソを糊塗しても何の得もないでしょうネ。強いて言うなら淋しさが紛れるとかまたまた自己満足?

 何でも思い通りで自由自在,全知全能の神であれば人の痛みも苦しみもわからないだろうからと,かつて人の肉をまとった”人の子"として降臨したらしいイエス・キリストの誕生日の前日の感想でした。

PS3:すごいね。。ケント・モリのダンス。。。

 私も素直にMJの天才を感じて受け入れる心境になれたみたいだ。

 素晴らしい。(日テレでThis is Itを含むマイケル・ジャクソンの特集)

         。

 キレイゴトと言われても別に気にすることはなかったのだ。

 謙虚であることは大切だが,だからといって他人の評価,批判を気にし過ぎて予防線を張る必要などはなかったのだ。

 ありがとう。。。MJ

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2010年12月23日 (木)

朝まで飲みました。

 久しぶりに大塚のライブスナック「BIG MAMA」で朝の5時過ぎまで飲んで歌って帰ったけれど,今日も一応仕事なので朝起きられるかが心配だったけど幸い昔の夜勤仲間が仕事終わって「飲みに来ないかお前の笑顔が見たい。」とかの電話で起こされて,なんとか遅刻もせず行けそうです。

 神様ありがとう。でも朝から飲むのは無理だよ。こんなに自分だけしあわせでいいのだろうか。世間様に申し訳ない。って,まだ酔ってる?酒を飲むと他人のストレスまで全部背負ってしまって,とにかくご機嫌になってしまって普段よりもお人好しになるみたい。いやただのバカでしょうネ。

 今日は天使も休日で逢えないかも。。

 うん。。寒い。。暖房つけるの忘れてた。。。酔っ払ってこうして何とか「てにをは」を間違えずに書いたものって,後で恥ずかしくなってよく削除するけど,今日のはどうだろうか?

 会いたかったお店の女性には口も聞いてもらえなかったけど顔だけでも見れてうれしかったな。

 私が彼女にどんな悪いことをしたんだろうか?口が軽かったからかな?聞かれて困るようなことは言ったつもりはないけど。本当のことだからって言ってはいけないこともあって,知らないうちに傷つけたかもネ。

PS:大桃チャン,まだネットのことが全然わかってないネェ。

 私のような無名の有象無象が書いてしまって後でまずいと思って消しても誰も見ちゃいないから大丈夫だけれど。世間のみんなが知ってる人の実名を出しちゃあダメだよ。。気持ちはわかるけどネ。。。

PS2:帰宅して夜9時まで爆睡してさわやかに目覚めました。今晩眠れるかなあ?今日も天使が少し離れたところにいて,なぜか終始ニコニコしていました。

 セレクターが壊れて使えないサンスイのアンプの代わりに秋葉で3980円で買っていたヤマハのOEM?のデジタルアンプで取り合えずメインのスピーカーからも音楽が聴けるようになりました。

 既に多くのCDはPCにバックアップした後に処分してるので,LPとカセットテープ以外はPCのoutから聞けます。

 カセットテープもアナログoutからPCに取り込む予定ですが,LPはカートリッジがMCなのにフォノアンプかヘッドアンプのどちらか?1つしかないので未だ聞くこともできません。

 明日はイブですね。

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2010年12月20日 (月)

水滴の成長と蒸発(2)

 さて水滴の成長と蒸発の続きです。

 

 色々としあわせな状態にかまけてはいますが,基本的にやることは変わっていません。

 

 水滴が媒質を含む希薄溶液から成る場合について記述します。 

§3.希薄溶液の水滴の凝結と蒸発

①定常状態(平衡状態)の熱と質量の関係

 

 蒸発の潜熱をLe(単位質量当たり)とすると,凝結によって単位時間当たり解放される熱量はLe(dm/dt)です。

そこで,この潜熱を熱源とする=0での熱方程式は(dq/dt)­0=-∫r=ahdS+Le(dm/dt)­0 (31)となります。ただし,aは水滴半径,qは水滴の熱量です。

この場合,熱平衡(定常)の条件:(dq/dt)­0=0はLe(dm/dt)­0=∫r=ahdS,またはVを水滴の体積として凝結による潜熱の解放が均質に生じるとすれば,∇h=Le(dm/dt)­0/V=∇hです。

 あるいは,h=-k∇T(25)より

r=ahrdS=-∫r=aa(∂T/∂r)dS=-4πaka(T-Ta)

なので,水滴表面温度Taが一定条件下では,

 

e(dm/dt)­0=∫r=ahdS=4πaka(Ta-T)

 

と表現できます。

 

ただし,前述したようにkaは水滴の熱伝導度です。

最後の式は,(蒸発に必要な熱量)=-Le(dm/dt)­0=4πaka(T-Ta),または(凝結によって解放される熱量)=Le(dm/dt)­0==4πaka(Ta-T)=(伝導により流出する熱量)を示しています。

このLe(dm/dt)­0=4πaka(Ta-T)なる式は,(dm/dt)­0=(4πaka/Le)(Ta-T)(32),Ta=T+{Le/(4πaka)}(33)と書き直すことができます。

故に,蒸発水滴:(dm/dt)­0<0 の温度はまわりよりも低く,凝結水滴:(dm/dt)­0>0 の温度はまわりよりも高いといえます。

Clausius-Clapeyronの公式

 

 さて2相(液相,気相)平衡状態の飽和水蒸気esat(T)の温度保存式を求めます。

 熱力学によれば,平衡の条件は液相,気相のGibbs自由エネルギーについてGw=Gv(34),またはμw=μvが成立することです。

 

 Gw,Gvは1モル当たりの水,水蒸気のGibbs自由エネルギーです。

 

 また,μwvは1モル当たりの水,水蒸気の化学ポテンシャルですが,Gw=μw,Gv=μvであり,同じものを別記号で表わしているだけです。

 温度TがT+dT,圧力pがp+dpになっても(34)の関係が維持されるためには,その際のGw,Gvの増加分dGw,dGvについてもdGw=dGv(35)が成立することが必要です。

 ところで,熱平衡状態ではdu=Tds-pdvでG=u+pv-Tsですから,dG=-sdT+vdpです。

 

 ただし,u,sはそれぞれ1モル当たりの内部エネルギー,エントロピー,vは1モル当たりの体積です。

 したがって,dGw=dGv (35)は-swdT+vwdp=-svdT+vvdpを意味します。

 

 つまりdp/dT=(sv-sw)/(vv-vw)(36)を意味します。

 ところが,T(sv-sw)=Lew (37)ですから,これは

  dp/dT=Lew/{T(vv-vw)}とも書けます。

同じ1モルでは水の体積は水蒸気の体積よりはるかに小さいので,この式の右辺で水蒸気の体積vvに比して水の体積vwを無視します。

  

左辺のpp=esat(T),右辺のvvにvv=RT/esatを代入すると,

  

(1/esat)(desat/dT)=Lew/(RT2)(38)を得ます。

 

これが,有名なClausius-Clapeyronの公式(クラウジウス・クラペイロンの公式)です。

 

念のため,改めて追記するとLeは単位質量当たりの蒸発の潜熱,Mwは水の分子量です。

 

     (↓下図はネット検索で入手した図の転載です。)

  

  

(注):エンタルピー:h≡u+pvを導入するとdu=Tds-pdvよりdh=Tds+vdpです。

 

 2相平衡にあるときの圧力pは,dp/dT=(sv-sw)/(vv-vw)(36)を満たしますから,dh=Tds+vdp=Tds+v(dp/dT)dTと書けます。

そこで,hv-hw=T(sv-sw)+∫v(dp/dT)dTですが,相変化が定温(dT=0)の下で移行する場合の潜熱はエンタルピーの変化として表現されます。

 

つまり,hv-hw=T(sv-sw)=Lewです。

したがって,p=esatに対するClausius-Clapeyronの公式:

(1/esat)(desat/dT)=Lew/(RT2)(38)は,

 

(1/esat)(desat/dT)=d(lnesat)=(hv-hw)/(RT2)とも表現されることがわかります。(注終わり)※

 蒸発の潜熱:LeがTに依らず一定値を取ると仮定して,

 (1/esat)(desat/dT)=Lew/(RT2)(38)を積分すると,

 esat(Ta)=esat(T)exp[{Lew/(RT)}(Ta-T)/Ta](39)

 が得られます。

Kelvinの公式,Raoultの規則

 

 半径aの純水滴と湿潤空気の混合系で,気相と液相が平衡にあるためにはμw=μv(40),かつpw=p+2σ/a(41)が成立する必要があります。

 

 ただし,σは表面張力です。

 

(このブログのバックナンバーで表面張力について言及しているのは2009年4/28の「水の波(2)(浅水波,深水波,表面張力波)」だけですね。

  

 一般の球でない水面の場合にはpw=p+σ/a1+σ/a2です。)

 

 ここで,p,Tの変化の下で,μw/T=μv/Tの関係が維持されるためにはd(μw/T)=d(μv/T)(42)が成立することが必要です。

 

 ところが(∂μw/∂pw)T=vw,[∂(μw/T)/∂T]pw=-hw/T2より,

d(μw/T)=(-hw/T2)dT+(vw/T)dpwです。

 

 ただしhはエンタルピー:h≡u+pvです。

  

 一方,水蒸気のみの1成分系では,Gv=μvであり,

混合系ではGxa=xaa+xvv(xa+xv=1)です。

ここで,aの添字aは(乾燥)空気(air)のa,

vのvは水蒸気(vapor)のvです。

そして,水蒸気の分圧はe=xvpですから,Gv=μv=μv+(T)+RTlneよりμv=μv+(T)+RTlnp+RTlnxvです。

 

これは,μv=μv(T,p,xv)=μv0(T,p)+RTlnxvと書けます。

 

μv0(T,p)は空気が純水蒸気(xv=1)で,その気圧がpのときの化学ポテンシャル(Gibbs自由エネルギー)です。

(∂μv/∂p)T=vv,[∂(μv/T)/∂T]pw=-hv/T2より,d(μv/T)=(-hv/T2)dT+(vv/T)dp+Rd(lnxv)ですから,

 

条件d(μw/T)=d(μv/T)(42)は,(-hw/T2)dT+(vw/T)dpw=(-hv/T2)dT+(vv/T)dp+Rd(lnxv)と書けます。

また,pw=p+2σ/a(41)よりdpw=dp+2d(σ/a)でありxv=e/pですから,{-(hv-hw)/T2}dT+{(vv-vw)/T2}dp-(2vw/T)d(σ/a)+Rd{ln(e/p)}=0 です。

 

つまり,(-Lew/T2)dT+{(vv-vw)/T2}dp-(2vw/T)d(σ/a)+Rd{ln(e/p)}=0 (43)が成立することが必要です。

ここでのeはe=esat(T)を意味しますが,今の混合系では定温,定圧下で半径aの変化に対してe=esat(T)が変化すると予想されるため,e=esat(T)を,改めてe=ea sat(T)と書きます。

定温,定圧下ではdT=dp=0なので,(43)は-(2vw/T)d(σ/a)+Rd{ln(easat/p)}=0(44)となります。

 

p=一定ですから,ln{easat(T)}=2vwσ/(RTa)+const.より,

a sat(T)=esat(T)exp{2Mwσ/(RTρwa)}(45) を得ます。

 

これがKelvinの公式です。

 一方,溶解液に対するRaoult(ラウール)の規則から,e'satをこの溶液の溶媒(水)の飽和蒸気圧とし,mw,ms,mを溶媒,溶質,(溶媒+溶質)の質量,Mw,Msを溶媒,溶質の分子量とすると,

 

 iをvan'tHoff factorとして, 

 e'sat/esat=nw/(nw+ins)=mws/(mws+imsw)

 =[1+imsw/{(m-ms)Ms}]-1(46)と書けます。

(45),(46)よりesatをesatと書けば,e'asat(T)=

sat(T)exp{2vwσ/(RTρwa)}[1+imsw/{(m-ms)Ms}]-1(47)

です。

④溶解液の蒸発,凝結

 

 ここまでの公式を以下のように要約します。 

すなわち,a(da/dt)0={Dvw/(ρwR)}{e/T-e'asat(Ta)/Ta}(7)',a(da/dt)­0={ka/(Leρw)}(Ta-T)(32)',

および,

 

sat(Ta)=esat(T)exp[{Mwe/(RT)}(Ta-T)/Ta](39)', e'asat(Ta)=esat(Ta)exp{2Mwσ/(RTaρwa)}[1+imsw/{(m-ms)Ms}]-1 (47)'です。

そして,(32)'をTa=T(1+δ),

δ≡{Leρw/(ka)}a(da/dt)­0 (48)と表現すれば,

 

(7)',(39)',(47)',(48)によって,

 

a(da/dt)0={Dvw/(ρwR)}(e/T-esat(T)exp[Mweδ/{RT(1+δ)}+2Mwσ/{RTρwa(1+δ)}][1+imsw/{(m-ms)Ms}]-1) (49)が得られます。

δ={Leρw/(ka)}a(da/dt)­0ですが,δ<<1なので

exp[Mweδ/{RT(1+δ)}~ 1+Mweδ/(RT),

かつexp[2Mwσ/{RTρwa(1+δ)}]~ exp{2Mwσ/(RTρwa)}

と近似できます。

さらに,

 

exp{2Mwσ/(RTρwa)}[1+imsw/{(m-ms)Ms}]-1~ 1+y(50),

y≡2Mwσ/(RTρwa)-im/{Ms(m-ms)}(51)と置くことで,

近似式:e'a sat(Ta)=e sat(T)(1+y)(52)

 

を得ます。

以上から,

 

a(da/dt)0={Dvw/(ρwR)}{esat(T)/T}][e/esat(T)-{1/(1+δ)}{1+Mweδ/(RT)}(1+y)]です。

さらに,δの2次以上とδyを無視すると,

 

a(da/dt)0={Dvwsat(T)/(ρwRT)}[e/esat(T)-(1+y)-δ{Lew/(RT)-1}]

 

です。

そこで,δ={Leρw/(ka)}a(da/dt)­0より,

a(da/dt)0wRT/{Dvwsat(T)}+{Leρw/(Ta)}{Lew/(RT)-1}]

~{e-esat(T)(1+y)}/esat(T),

 

あるいは,

a(da/dt)­0~[{e-e'sat(T)}/esat(T)]/[{Leρw/(Ta)}{Lew/(RT)-1}+ρwRT/{Dvwsat(T)}](53)

を得ます。

 ただし,e'sat(T)=esat(T)exp{2Mwσ/(RTρwa)}[1+imsw/{(m-ms)Ms}]-1(54)です。もちろん,m=4πa3ρ/3です。

 ここまでは,もっぱら(dm/dt)­0,a(da/dt)­0の静止水滴に関する話でしたが,運動水滴の場合には単にDv→ Shv/2,ka→ Nuaとすればいいだけです。

内容を思い出すのにてこずりましたが,ノートはここで終わっているので,この項目についてはこれで終わりにします。

  

PS:一昨年の暮れ頃には観音様の御出現,今年は天使の御出現と,ここのところ浮世離れしたことが続いています。

 

翌日(21日)も天使がそばにいてとてもよかったです。

 

夜には今年最後の手話講習(初心コース)に出席,終わって21時頃から椎名町駅近くで応用,上級コース合同の忘年会でした。

 

初対面のろう(あ)の人との手話もはずみましたが,翌日が早いので夜中の零時半頃には帰宅してそのまま就寝しました。

 

今日(22日)は,仕事をお休みして朝から眼底出血していた右目を含む両目眼底の総合的検査のため,予約していた帝京病院眼科診療に行ってきます。

 

しかし,今は右目も左目と同じくらい見えるようですから,医者の予想通り幸い自然に出血が止まって治癒しているようで,レーザー手術もしないで済みそうです。

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天使と隣合わせ

 今日は午前中2時間,午後1時間,私の右隣に天使が座っていて気配を感じるだけでとてもしあわせでした。

PS:24日のクリスマス(イブ)パーティ用に,恐らく45年ぶりくらいに書いた私の絵(デッサン)を添付します。 

 現場ではスキャナーもコピ-も私用には使えないので手持ちのデジカメで撮影しましたが,上部が切れました。 

 もっとも,消えたところの絵は髪の上部と天井に「King of Jeus(ユダヤの王)」という板の付いた茶色い十字架を書いているだけです。 

 そして,上余白には「十字架を背負って生まれて来た!とか,Virgin Mother(聖なる母)」とか,そして下の余白には日付とサイン:「イエス・○○」(○○は私の姓)やMerry Chrisymasなどの飾り文字があるだけです。

 

  

 これ以外にも今日現在であと4枚書いています。

 バカボンのパパの「クリスマスは苦しみますなのだ。」とか

 「サンザン苦労ース」とかのダジャレやオヤジギャグ等のせりふ入りのサンタの絵などもあり,全ては顰蹙を買っているようですが。。。

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2010年12月15日 (水)

久しぶりに酒のせいで朝寝坊

 不覚でした。

 昨日は,通常勤務の後2時間くらい仮眠して,夜7時過ぎには遅刻して手話教室に出席し,夜10時頃一旦帰宅しました。

 しかし,その後,夜12時を過ぎて日付が12/15になれば,11,12月分の年金などが振り込まれる予定だったので,それを待って家を出てコンビニでお金を下ろして滞納中のプロバイダ料金や,携帯電話代,ガス代などを支払いました。

 それでも,久しぶりに単に飯を食べる以外の金ができたので15日夜でもよかったのですが1軒だけ残っていたツケを払いに巣鴨一番街に行きました。

 師走ですが平日の火曜日夜中で,その店は暇で客は私だけだったので夜中の1時半頃には引き上げましたが,マスター1人と話するだけでは物足りなかったので,ついもう一軒中国人ばかりですがママを含め女性が5人いる店に久しぶりに行き朝4時頃帰宅しました。

 すぐ寝ればよかったのですが,眠くはなかったのですぐには寝ずに5時半まで起きていました。

 これまでにも,何回かこういうことはありましたが普通3,4時間で目が覚めて朝10時開始の仕事には充分間に合っていたので心配はしていなかったのですが,不覚にも目が覚めると11時丁度くらいでした。

 すぐに連絡して別の日曜日に代出勤することにして今日はお休みにすることにしました。いやあ,風邪も引かず,酒も残ってなくてさわやかな目覚めだったのですがダメですねえ。。ちょっと反省。

 これから,朝昼兼用の飯を食べた後,高い本や電化製品を買うほどの金はないけど,ブックオフで100円くらいの本を買ったり,見るだけですが神保町か秋葉原,あるいは池袋当たりをぶらついて,その後で食料を買出ししようかな。

 以前とは少しは違う経済観念になってきてるので,小金があってもめったに衝動買いなどしませんが,懐が全くさびしいとウィンドウショッピングしていても気分が乗りませんからね。

 お店側からの誘いがない限りツケで飲む習慣はなくて,金がないならまず飲み屋には入りませんが,金があるときに飲み屋の前を通ると結局はしごをしたりして後先考えず全部使ってしまうカモ,という習性は変わっていません。

 衝動買いの方は,古本でも何でも安いからといって不要なものまで買うということはなく,これまでも必要なものばかりでしたから,むしろお酒に変わる前に買い物でもしたほうがましかも知れませんがネ。。。

 そうだ。9月にクラッシュしたPCの内蔵HDDから必要なモノをバックアップするための外付けHDD化箱を買っておこう。

 いっぺんに色んなところを回る体力もないし,それに今日じゃなくても行ける時間はあるので,余りあわてず近くを散策でもした方がいいのでしょうね。外は晴れてるみたいで昼間は余り寒くもないみたいですしね。

PS:夜,「相棒」を見ていたら思わず泣けてきました。(号泣しそうになtった)

 現況では互いに似ている面があっても,私は少なくとも60歳まで生きて来れましたし,今のある程度覚悟ができていて諦めに似た境地に在っては,むしろ飢え死にしないだけでもしあわせと感じているのですから。。。

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2010年12月12日 (日)

水滴の成長と蒸発(1)

 前の一連の記事のプルーム上昇式について書いていた1983年8月の覚書きノートには続きがあります。それは水滴の成長と蒸発という項目です。

これも1000ページ近い"英文のANLモデル(アルゴンヌ国立研究所模型;後のSACTI)のドキュメントを全部翻訳して内容を完全に把握する"という当時のジョブの一環として勉強したものです。

冷却塔(cooling tower)からの温排気排出の影響には,水蒸気による白煙発生の他に,それが周辺大気で冷却され凝結した水滴の飛散による濃霧,また冷却水が海水のように塩分などを含む場合には飛散水滴による農作物等への塩害etc.も考えられるからです。

 

そこで,この項目についても覚書きとして記述しておきます。

 

(当時は,仕事の都合上,タイムリミットもあって,とにかく当座の計算アルゴリズム等に必要な式に到達するのが目的だったので,途中のプラス,マイナスなど細かいところはアバウトだったりテキトーだったりなところもあるので,あとで修正が必要なのです。)

以下は本文です。

§1.拡散流束による水滴質量の増減

 水蒸気の密度をρv,その密度流束(局所流束密度)をvとします。

この局所流束密度vは,移流風速(水蒸気を含む空気の平均流速)をとすると,そのゆらぎ(fluctuation)に相当する拡散流束を加えて,

 

v=ρv-Dv∇ρv と表現されます。

 

ただし,Dvは拡散係数です。

この流束を用いた水蒸気の質量保存を示す連続の方程式は,

∂ρv/∂t+∇v=0 or ∂ρv/∂t=-∇vです。

 

そして,v=ρv-Dv∇ρvによりv=∇(ρv-Dv∇ρv)です。

 

しかし,この水蒸気を含む空気は非圧縮(または,高々Boussinesq近似)を仮定しているため,∇=0 を満たしますから,

 

これは,v∇ρv-∇(Dv∇ρv) と書けます。

さらに,拡散係数Dv空間位置によらない定数であると仮定すると,

v∇ρv-Dv2ρvです。

結局,上記連続の方程式:∂ρv/∂t=-∇vは,

 

∂ρv/∂t+∇ρv=Dv2ρv (1) を意味します。

 

これは,Fick型の(移流)拡散方程式(diffusion equation)と呼ばれる方程式です。

 一方wを液体の水の密度として半径aの球水滴の質量をmとするとm=∫ρwdV=4πa3ρw/3です。

水滴の中心を原点:Oとするような極座標で考えると,r>aの領域では水蒸気に対して,上述の拡散方程式:∂ρv/∂t+∇ρv=Dv2ρv (1)が成立しますが,r<aの球内は(1)が成立しない特異領域と考えられます。

 そして,空気は水滴表面から内部に浸入することはないので,表面r=aでは速度の表面への垂直成分:ur=0 であるべきですが,現実の水滴表面ではより強い粘着条件:=0 が満たされていると思われます。

 

 つまり,表面r=aでは=0 なる境界条件が満たされると考えます。

 水滴の質量保存から,明らかにdm/dt=-∫r=avrdSですが,

 上記境界条件を要求すると,r=aでは

 v=ρv-Dv∇ρv=-Dv∇ρvなので,

 

 dm/dt=Dvr=a(∂ρv/∂r)r=adS (2)です。

 特に,表面だけでなく全空間で=0 を満たす,水滴に対して静止した空気中でのdm/dtを(dm/dt)0と書けば,場は中心対称ですから,

 

 (dm/dt)0=4πa2v(dρv/dr)r=a (3)と書けます。

他方,=0 なら∂ρv/∂t=Dv2ρvです。さらにt→ ∞ の極限では拡散場は定常(∂ρv/∂t=0)になり,しかも球対称ですから,

 

2ρv=r-12(rρv(r)/dr2=0 です。 

これを,r=aでρv=ρv(a);r=∞でρv=ρの境界条件下で解けば

 

ρv(r)=ρ+a{ρv(a)-ρ}/r (4)を得ます。

これにより,(dρv/dr)r=a={ρ-ρv(a)}/a (5)ですから,

 

=0の静止大気中での水滴の質量保存の式は, 

(dm/dt)0=4πa2v(dρv/dr)r=a=4πaDv-ρv(a)}

と書けます。

水蒸気が理想気体なら,それが従う状態方程式:e=ρvRT/Mwから,

ρ=ew/(RT),ρv(a)=eaw/(RTa)を代入して,

 

(dm/dt)0=(4πaDvw/R)(e/T-ea/Ta) (6)

 

です。

または,m=4πa3ρw/3なる式により,

 

方程式:a(da/dt)0={Dvw/(ρwR)}(e/T-ea/Ta) (7)

 

を得ます。

ただし,aは水滴表面(r=a)の温度,eは水蒸気圧,Rはモル気体定数(R~ 8.31J/(molK)),Mwは水の分子量(Mw~ 18g/mol)です。

しかし,水滴半径aが分子半径と比較してそれほど大きくない場合には,空気や水蒸気を連続体とみなす巨視的流体力学の適用範囲の外に出ると考えられるため,必要な小水滴に対する補正をします。

 

以下,Fuchs(1959)によって与えられた方法に従います。

 拡散方程式とその解は水滴表面からの水蒸気の反跳長さ(recoiling length):Δvを超えないなら正しくないと考えます。

すなわち,r≧a+Δvではρv(r)=ρ+A/r(8)が成立しますが,

a≦r≦a+Δの境界領域では水蒸気流束を構成する分子はMaxwell-Boltzmannの速度分布に従う粒子として気体運動論的に扱うことにします。

水分子の質量をmwとし,分子の平均速度を=(vx,vy,vz),その大きさをv≡||,Boltzmann定数をkB≡R/NA(NAはAvogadro数)とすると,温度がTのときの分子の平均速さは,

  

<v>=(8kBT)1/2/(πmw)1/2=(8RT)1/2/(πMw)1/2 (9)

 

で与えられます。

(注):<v>=∫vexp{-mw2/(2kBT)}d3/∫exp{-mw2/(2kBT)}d303exp{-mw2/(2kBT)}dv/∫02exp{-mw2/(2kBT)}dv です。

ところが,∫0exp(-αv2)dv=(1/2)(π/α)1/2ですから,両辺をαで微分することで,∫02exp(-αv2)dv=(1/4)π1/23/2を得ます。

 

さらに,これをαで微分すると,∫04exp(-αv2)dv=(3/8)π1/25/2です。

一方,∫03exp(-αv2)dv=(1/2)∫0uexp(-αu)du=(1/2)(1/α2)より,∫03exp(-αv2)dv/∫02exp(-αv2)dv=2/(πα)1/2です。

 

<v>=∫03exp{-mw2/(2kBT)}dv/∫02exp{-mw2/(2kBT)}dvの右辺は,上記のα=mw/(2kBT)の場合に当たりますから,

 <v>=(8kBT)1/2/(πmw)1/2=(8RT)1/2/(πMw)1/2です。

一方,二乗平均速度を評価するのなら,

<v21/2=[∫v2exp{-mw2/(2kBT)}d3]1/2[∫04exp{-mw2/(2kBT)}dv/∫02exp{-mw2/(2kBT)}dv]1/2

={3/(2α)}1/2=(3kBT/mw)1/2(3RT/Mw)1/2です。

 

後者はエネルギーの等分配則<mv2/2>=(3/2)kBTから予想される結果に一致しています。

 

(8/π)1/231/2 には大差がないので,<v>と<v21/2は同じオーダーの量です。(注終わり)※

 さて,nを分子濃度,つまり単位体積当たりの分子数とします。

分子の従うMaxwell-Boltzman分布を,

"=(vx,vy,vz)と+d=(vx+dvx,vy+dvy,vz+dvz)を対角線とする速度空間の微小直方体内に,単位体積当たりF(v2)dvxdvydvz個の分子があること"で表現すれば,

 

∫F(v2)dvxdvydvz=n,∫vF(v2)dvxdvydvz/n=<v>

 

です。

すると,速度空間では速度+dの間にあり,かつ座標空間の任意の向きの平面の微小立体角:dΩ=cosθdθdφに衝突する単位時間,単位面積当たりの分子数は,

 

{vsinθdΩ/(4π)}F(v2)dvxdvydvz

=vF(v2)dvxdvydvzsinθcosθdθdφ/(4π)

 

で与えられます。

ただし,この平面がとなす角がθであるように極座標軸を取ってます。

平面の一方の側の単位面積に衝突する単位時間当たりの分子の総数は,これを角度θについて 0 からπ/2まで,φについて 0 から2πまで,さらにvについて 0 から∞まで積分した値です。

0π/2sinθcosθdθ∫0dφ=πですから,この値:[∫vF(v2)dvxdvydvz0π/2sinθcosθdθ∫0π/2dφ]/(4π)は,(1/4)∫vF(v2)dvxdvydvz=(1/4)n<v>に等しいことがわかります。

したがって,(分子数密度流束)=(任意の面に衝突する単位時間,単位面積当たりの分子数)は, 

 

(1/4)n<v> (10) と書けます。

 

右辺の因子:<v>は先に書いたように,

<v>=(8kBT)1/2/(πmw)1/2=(8RT)1/2/(πMw)1/2 (9)

で与えられます。

また,水蒸気の温度を改めてTの代わりにTgと書くと,水蒸気はe=ρwBg/mw=nkBgなる状態方程式に従います。

  

故に,水滴の周囲の水蒸気の分子数密度流束は

=(1/4)n<v>=(1/4){e/(kBg)}(8kBg)1/2/(πmw)1/2

=e/(2πwBg)1/2です。

他方,水滴表面に付着する水蒸気の分子数密度流束をwと書き,平衡状態にあるときのwの水滴の周囲の分子数密度流束wに対する比を凝結定数と呼んでαcとします。

 

すると,=αcです。

そうすると,水滴表面の分子数密度流束は,

=αce/(2πmwBa)1/2 (13)

で与えられることになります。

 

実験によれば,αcの値は,αc≒0.01~ 0.07です。

ただし,水蒸気分子の平均速さは,<v>=(8RTg)1/2/(πMw)1/2でも

分子速度の分布は等方的で,そのベクトル平均はゼロと考えられるので

分子数密度流束wの向きはあらゆる方向について対称です。

水滴表面の水蒸気圧:eが飽和水蒸気圧:esatに等しいときに"定常状態=蒸発平衡"に達するとすれば,

 

平衡時の水滴表面での飽和分子数流束:wsatは, 

sat=αcsat/(2πmwBa)1/2 (14) です。

  

ただし,Taは水滴表面の絶対温度です。

それ故,流入する分子数流束と流出する分子数流束は互いに独立であるとしてTg~ Ta =Tと置けば,水滴に流入する総流束密度の大きさは

 

sat=w-wsat=αc(e-esat)/(2πmwBT)1/2(15)

 

と書けます。

この(15)式は,e<esatなら水滴が蒸発し,e≧esatなら蒸発しないことを意味しています。

さて,水滴中心からの距離rにおける水蒸気の分子数密度をNv(r),密度をρv(r)とすればρv(r)=mwv(r)です。

したがって,r=a+Δにおける水蒸気が,流出入する水蒸気を代表するとすれば,その水滴表面へと向かう凝結流束密度は,

αcwv(a+Δ)<vv>/4=αc<vv>ρv(a+Δ)/4 です。

他方,水滴表面r=aで蒸発に向かう蒸発流束密度は,

αc<vv>ρv(a)/4です。

そこで,表面での総蒸発流束v(a)は,

 

v(a)=4πa2v(a)=πa2αc<vv>{ρv(a)-ρv(a+Δc)} (16)

 

で与えられることがわかります。

一方,冒頭で書いたように,巨視的流体力学の見方では,

r=aでの流速密度はv=-Dv∇ρvなので,総流束は

v(r)=4πar2v(r)=-4πr2(dρv/dr)Dv

です。

ところで,今の気体運動論的考察では,

r≧a+Δρv(r)=ρ+A/r (8)が成立する,

と仮定しているので,

 

r=a+Δにおいてはρv(a+Δv)=ρ+A/(a+Δv)です。

 

故に,(dρv/dr)r=a+Δv=-A/(a+Δc)2ですから,

v(a+Δv)=-4π(a+Δv)2(dρv/dr)r=a+Δvv=4πDvA (17)

を得ます。

"定常状態=蒸発平衡"では,Jv(a+Δv)=Jv(a) (18)であるべきで,

ρv(a+Δv)=ρ+A/(a+Δv)ですから(16),(17)より,

4πDvA=πa2αc<vv>{ρv(a)-ρv(a+Δc)}

=πa2αc<vv>{ρv(a)-ρ-A/(a+Δv)}

が成立します。

したがって,

  

[a2αc<vv>/(a+Δv)+4Dv]A=a2αc<vv>{ρv(a)-ρ},

および<vv>=(8kaa)1/2/(πmw)1/2=(8RTa)1/2/(πMw)1/2 (9)

 

が成立します。

以上から,

 

A=a{ρv(a)-ρ}/[a/(a+Δv)+4Dv/(aαc<vv>)]

=a{ρv(a)-ρ}/[a/(a+Δv)+Dv{2πMw/(RTa)}1/2/(aαc)] (19) を得ます。

これは,冒頭で述べた巨視的流体力学の考察:

(4)ρv(r)=ρ+a{ρv(a)-ρ}/r,

および(dm/dt)0=4πaDv-ρv(a)}から導かれた式,

 

(6)(dm/dt)0=(4πaDvw /R)(e/T-ea/Ta),

または(7)a(da/dt)0={Dvw /(ρwR)}(e/T-ea/Ta)

 

を次のように補正することに相当します。

すなわち,(4)はa{ρv(a)-ρ}→ A=a{ρv(a)-ρ}/[a/(a+Δv)+Dv{2πMw/(RTa)}1/2/(aαc)]として,

 

ρv(r)=ρ+a{ρv(a)-ρ}/r→ (4)'ρv(r)=ρ+A/r

と補正します。

そこで,(6),および(7)は拡散係数をDv→ Dv'=Dv/[a/(a+Δv)+Dv{2πMw/(RTa)}1/2/(aαc)](20)として,

 

それぞれ(dm/dt)0=(4πaDv'Mw/R)(e/T-ea/Ta)(6)',

およびa(da/dt)0={Dv'Mw/(ρwR)}(e/T-ea/Ta)(7)'

に補正します。 

これで小水滴に対して補正された質量保存式を得ました。

 次に,水蒸気を含む空気に対して運動している水滴に対する補正を考察します。

 

 これは,水滴が運動する代わりに静止水滴に対して空気が運動する,つまり≠0 の等価な問題として設定できます。

この場合も,r>aにおける拡散は定常(∂ρv/∂t=0)に達しているとすれば,質量保存の拡散方程式は∇ρv=Dv2ρvです。

 

水滴表面での流束密度がv=-Dv∇ρvなので,

やはりdm/dt=-∫r=avrdS=∫r=av(∂ρv/∂r)dSです。

 ここで,平均通風係数と呼ばれる量fvを,

v≡dm/dt/(dm/dt)0(21)で,

 

 平均輸送係数kvをkv≡-∫r=av(∂ρv/∂r)dS/[4πa2v(a)-ρ}] (22) で定義します。

 

 すると,(2)'と(21),(22)からkv=Dvv/aです。

さらに,無次元のSherwood数Shを次式で定義します。

 

すなわち,Sh≡2kva/Dv=2fv (23)です。

 

こう定義すると,dm/dt=Shv2πa(ρ-ρsat) (24)です。

=0 のときにはfv=1 or Sh=2です。

 

ただし,これらは単に定義した,または言葉を置き換えただけで何ら新しいことを述べていません。文献を読む際の便宜だけでしょう。

§2.水滴中の熱の移動

 kを媒質中の熱伝導度,Tを絶対温度とすると,Fourierによれば熱流束ベクトル:hh=-k∇T (25)で与えられます。

そして,一般的な流体中のエネルギー保存の式は,粘性による散逸が無視できる場合には流体単位質量あたりのエントロピーをsとしてρT(∂s/∂t+∇s)=-∇hと書けます。ρは流体の密度です。

今の場合のように,媒質流体(水,空気)が非圧縮と見なせるときには

=0,かつTds=cpdT(cpは単位質量当たりの定圧比熱)なので,

 

これはρcp(∂T/∂t+∇T)=κ∇2

or ∂T/∂t+∇T=κ∇2T(26) と変形されます。

ただし,κ≡k/(ρcp)でκは熱拡散係数と呼ばれる量です。

 h=-k∇T(25)より,水滴の熱量をqとし,乾燥空気の熱伝導度をkaとすると,

  

 dq/dt=-∫r=ahrdS=∫r=aa(∂T/∂r)dS (27)

 

 です。

特に,0(水滴に対して水蒸気静止)のときのdq/dtを(dq/dt)0と書きます。

 

=0 の熱伝導方程式:∂T/∂t=κ∇2Tのt→∞での定常状態(∂T/∂t=0)の∇2T=r-12(rT)/dr2=0 の解:T=T+a(T-Ta)/rから,(dq/dt)0=4πaka(T-Ta)(28)です。

aが小さい小水滴のときには,先に拡散係数Dhの代わりにDh'を用いるよう補正したのと同じく,熱伝導度kaの代わりにka'≡ka/[a/(a+ΔT)+ka{2πMw/(RTa)}1/2/(aαT+ρcp)](29)を用います。

 

なお,ΔTTは拡散での反跳長さΔv,凝結定数αcに相当する熱伝導(熱拡散)での量です。

また,水滴に対して水蒸気が運動するときには,Nusselt数と呼ばれる数NuをNu≡2dq/dt/(dq/dt)0で定義します。

 

(dq/dt)0=4πaka(T-Ta) (28)からdq/dt=Nua 2πa(T-Ta)(30)と書けます。=0 のときにはNu=2です。

今日はここまでですが,まだ続きます。

なお,もちろんオリジナルではなく当時,参考文献を見たはずなのですが,それをノートに書いてないので今は不明です。

確か1983年当時に勤めていた会社の蔵書だったと記憶してます。

 

PS:新しい試みとしてワードのルビ(ふりがな)を記号としてココログにコピーしてみたのですが取り合えずのところは失敗でした。おかげで文章を校正する時間を浪費しました。

  

貧乏ひまなしで師走は日曜日でも時間がありません。バスに遅れるので続きはあとで。

 

PS:民主党だけドタバタしてるように見えるのは与党だから仕方ないとはいえ,こんなとき野党は何のためにあるのか?責任追及だけやるしかないのか?そもそも代議士とは何をするのが仕事なのか?

 

政界再編はいずれ必要なんだろうけど,今やられてもそれが終わる頃には私自身の寿命などは終わってるだろうなあ。。。

 

イヤ,またまたマスコミや評論家の多くと同じく,自分のこと抜きで他人を揶揄しちまったか。

 

なんとか法とかの法律に賛成反対とか,国や公共団体の迷惑行為,大きなお世話はやめて欲しいけど,基本的に政治のお世話には期待してないアナーキーを自認している自分。。

 

自分の世話さえままならず,社会的にも無力で有象無象の自分がいまさら何の能書きをたれてるのか。お笑いだ。。。

 

PS2:機械文明や都会のコンビニエンスに依存し切っている身はいまさらどうしようもないという気分もあるけれど,もしもここ10年くらいの間,PCやネットがなかったら,既に廃人になってたかも。。 

 

今のような状態でも,自分が生き生きと生きてるように感じることが多々あるのは悲しいことかも知れないけど,血の通ってないPCやネット依存症に身を委ねて合理化しているおかげでしょうネ。

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2010年12月10日 (金)

巣鴨地蔵通り散策

 自宅を売るため2007年1月から2008年3月の間移っていた約1年の北区滝野川4丁目生活(心臓病になって元の家に舞い戻った)を除き,1994年5月から約16年も巣鴨界隈に住んでますが,昨今は"おばあちゃんの原宿"と呼ばれている駅前からの地蔵通りを意識して歩いたことはほとんどありませんでした。

 今日12/10は日付に4の付く縁日でもないし土日でもないので,16時前に散策してみましたが閑散としていました。

 はじめてここの写真を撮ったので順に掲載してみます。

 最初,駅から地蔵通りをずっと入り巣鴨郵便局近くの100円ショップひまわりで買い物をしたので,その後マルジの前から巣鴨駅に帰るまでです。

 ↓まず,有名なマルジの赤パンツです。パンツ以外にも靴下や腹巻きなど全て赤です。マルジは別にもっと大きい店舗が向かいや隣にあり,ババシャツなど衣類が安いので有名です。

 8月に引っ越したときのあいさつに使った熨斗つきのバスタオルの用意はマルジでやってもらいました。

 しかし,今やマルジだけでなくコトブキヤなど地蔵通りのこの近くの衣料店には大体赤パンツが置いてあるようです。

       

       

       

 ↓ とげぬき地蔵のある高岩寺入口付近の地蔵通り商店街看板です。

       

   ↓ 高岩寺です。(お地蔵様は略)

      

      

      

 ↓ついでに,今日ではなく,去年の冬,おそらくちょうど1年前くらいに通りかかったとき気紛れで撮ったものでしょうが,とげぬき地蔵とその右隣のお地蔵さんたちも載せておきます。

      

      

 ↓ 最後です。下は高岩寺のいわゆる"とげぬき地蔵"ではなくて,駅前から巣鴨地蔵通り入口にある御府内三十三番の江戸六地蔵の1つの真性寺のお地蔵様です。

 私には,こちらのほうが偉いように見えますが。。

    

    

PS:夜,久しぶりに西荻から引越しを手伝ってくれたN目ちゃんが来たので,巣鴨一番街で飲んできます。

 しかし,相変わらず私のことをけなしてばかりで口の悪い奴だなあ。言ってることはごもっともでほとんど異論ないけどね。

 N目ちゃん。言ってることとやってることが矛盾だらけだ。いずれにしろ,もはや俺に説教するなよ。価値観かなり違うし無駄なだけだから。。。

 人間が下部構造,経済原理だけでしか行動しないことなんかは百も承知だ。親切なように見えても,打算だらけで,いわゆる金の切れ目が縁の切れ目。。。やさしくされてるのはまだわずかな金ヅル:利用価値が残ってるからだ。。。そう。その通りだろうよ。

 だったら何の意味も見返りも無い俺の引越しをいつも唯一手伝ってくれるのは何故なんだ。。?あと10年も生きられるわけがない?うんうん。。。

 冗談だろうけど生命保険?遺族年金?なんぞありゃせんよ。。世のため,人のために早く死ねって,大きなお世話だ。。。

 ウソだとは思っていても,ぬくもりだと勘違いして,あと僅かな余生の間だけ似非しあわせを感じ続けて,世の中にも家族にも何の恩返しもせず,あと少し迷惑をかけ続けてマスターベーションにふける生活をしててもいいじゃないか。。。

 飲み屋で久しぶりに会った私と違って生まれつき身障の菅ちゃん。菅なんて付く奴は最近信用してないけど,海老蔵じゃないが他人を怒らせる趣味もほどほどにしてね。

 N目ちゃんがいなければ近くでおごってもらえたのに惜しかった。←コラコラ 

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わたしたちの手話(書籍紹介)

 全日本ろうあ連盟発行の手話学習辞典:「わたしたちの手話」(税込み2730円)を買いました。私には少し高かったですがこれはとてもいいです。

     画期的!!です。

         

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2010年12月 8日 (水)

尾野玲子コンサート(2011年2月27日14時)

 知り合いではないし歌を聴いたこともありませんが,ある友人が紹介宣伝をしてくれというので別に断る理由もないので紹介します。(個人的には3ヶ月後の公演だと,お知らせがちょっと早過ぎるのでは?と感じます。)

 Suntory Hall 公演カレンダーより

 尾野玲子 コンサート

  Program ...
唯一度だけ     : ドイツ映画『会議は踊る』 主題歌
また恋したのよ   : ドイツ映画『嘆きの天使』から

懐かしい恋人の歌

三つの小さな音符  

                    

時: 2011年2/27(日)

  開場14:00 開演 14:30

  サントリーホール

  ブルーローズ(小ホール) (港区赤坂1-13-1 TEL:03-3505-1001)

  ¥5,000 (全席自由席) / 当日券\6,000
  出演
尾野玲子:vocal
早川修司:piano
渡辺  剛:violin
佐瀬  正:Bass
萱谷亮一:percussion

 stuff

尾野玲子:構成・演出
早川修司:音楽監督
義煎雅志:音響
川原敬貴:照明
星 雅裕:舞台監督

  主催  ONOオフィス

  お問合せ:申し込み  ONOオフィス  TEL:044-888-4319

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2010年12月 5日 (日)

プルーム上昇のモデル式(3)

 プルーム上昇式の残りです。このシリーズはこれで終わりです。 

§5.逆転層貫通の条件

プルームが逆転層(inversion layer)を貫通する条件を考察します。

(補足):逆転層とは通常大気と逆に高度zが上昇するにつれて気温が増加していくような層のことです。

 

 断熱冷却されながら上昇していく周辺大気より暖かいプルームが上昇しても,こうした層があると自身よりも暖かい周辺大気に遭遇してプルームが浮力を失なうために,反射されて層を貫通できない可能性があります。

こうした事情は,2006年9/25の記事「ベナール対流の安定性とレイリー数」の序論では次のように書いています。

層の底z=0 では温度がT=T0 天井でT=T1 として定常熱伝導の方程式∇2T= 0 の解はT(z)=T0-βz=T0{(T1-T0)/H}z です。

ここでβ>0 ,つまりT0>T1としないと地球上の重力場の中では対流が起きません。そればかりでなく対流が起きるためにはβの値が断熱温度減率(湿度によって変化)よりも大きくないと対流は起きません。(例えばランダウ「流体力学1」を参照)

 

(補足終わり)※

 

さて,本題に戻ります。

 

 z=ziに微小厚さΔziの鋭い逆転層があって,大気はこの高さz=zi(と厚さΔziの極く薄い層)を除けば中立,つまり層の上下では共にs=(g/Ta)(∂θa/∂z)=0 であるとします。

そして逆転層より下:z<ziの中立状態の温位はθa=θであり,逆転層より上のz>ziの同じく中立状態の温位はθa=θ+Δθiであるとします。

(ⅰ)鉛直浮力プルームの場合

z=ziの層を通過できたと仮定したときにθp≧θa,つまりθp≧θ+Δθiが満足される,すなわちθ'≡θp-θと置いたときにθ'≧Δθiが満足されるならプルームは逆転層を貫通できるはずです。

何故なら,プルームが逆転層を貫通する仮想変位を行ったとき,受ける浮力は上向き,つまりg(θ'-Δθi)/Ta≧0 なので,それは下には押し戻されないからです。

(ただし,θ'≧Δθiは十分条件であって必要条件ではありません。つまりθ'<Δθiで浮力が負の向きであっても上向きの運動量が十分であれば貫通します。)

 微小厚さ:Δziの逆転層に対して,逆転層の強さ:biを,(32)bi≡gΔθia=∫Δzi(g/θa)(∂θa/∂z)dz=∫Δzisdzによって定義します。

また,改めてθ'≡θp-θに対する浮力流束:Fzと容積流束:Vを定義し直しておきます。Fz≡∫P(gρpθ'w'/Ta)dxdy/(πρa),V=∫Pρpw'dxdy/(πρa)です。

 こう定義すると,プルーム断面上でのθ'の平均値は,<θ'>=(Ta/g)(Fz/V)で与えられます。

 

 すぐ上で述べた逆転層貫通の(十分)条件θ'≧Δθiはプルーム断面について,<θ'>≧Δθi,つまり(Ta/g)(Fz/V)≧Δθi⇔ (Fz/V)≧(gΔθi/Ta)と解釈されます。

一方,bi=gΔθiaですから,θa~Taより結局逆転層の貫通条件は(Fz/V)≧biと表わせることがわかります。

ところで,中立大気ではs=(g/Ta)(∂θa/∂z)=0 ですから方程式の1つ:(22)dFz/dt=-s(wV)からFz=F (一定)です。

  

そこで,z=zi~zi+ΔziでもFzi=F(一定)と考えられます。

すると,(23)d(wV)/dt=Fzは,d(wV)/dt=F(一定)となりますから,これもすぐに解けてwV=Ft+Fmを得ます。

それ故,最後の(24)dV/dt=2α(wV)3/2/Vはd(V2/2)/dt=2α(Ft+Fm)3/2となります。

 

t=0でV=0 の点源なら,解はV2/2=(4α/5)F-1{(Ft+Fm)5/2-Fm5/2},すなわちV=(8α/5)1/2-1/2{(Ft+Fm)5/2-Fm5/2}1/2と書けます。

 今の場合は浮力プルーム(Fm=0)を想定しているので,wV=Ft+Fm=Ftであり,V=(8α/5)1/23/45/4です。

 

 したがってw=Ft/V=(8α/5)-1/21/4-1/4を得ます。

 これが,t=tiでz=ziに到達するとすれば,zi=∫0tiwdt=(8α/5)-1/2(4/3)F1/4i3/4ですから,ti=(8α/5)2/3(3/4)4/3-1/3i4/3です。

 

 そこで,Vi=(8α/5)1/2-1/4i5/4=(8α/5)4/3(3/4)5/31/3i5/3を得ますから,結局Vi=(4・35α4/54)1/31/3i5/3です。

 そして,実験によればVi~ 0.0717F1/3i5/3 ⇔ α~ 0.125です。

 以上から,浮力プルームの貫通条件:(Fzi/Vi)≧biは,{54/(4・35α4)}1/32/3i-5/3≧biと書けることがわかります。

したがって,無風時(calm)に中立状態で浮力プルームが逆転層(z=zi)を貫通する条件として,(32)zi≦(4・35α4/54)-1/52/5i-3/5が得られました。

(ⅰ)折れ曲がりプルームの場合

 この場合も,浮力プルームについては(Fzi/Vi)≧biを逆転層貫通の条件であるとします。

  

 周辺大気は中立(s=0)なのでFzi=F(一定)です。

そして,前記事で書いたように,(21)dV/dz=2β(uV)1/2のz=0(t=0)でV=0 の解は,V=u(βz)2ですからVi=u(βzi)2より,Fzi/Vi={F/(uβ2)}zi-2です。

 そこで,折れ曲がり浮力プルームの逆転層貫通条件は,F/(β2u)}zi-2≧biと表現できます。

したがって,有風時に中立状態で浮力プルームが逆転層(z=zi)を貫通する条件として(33)F≧β2ubii2~ 0.25ubii2, or (33)'zi≦β-1{F/(ubi)}1/2~ 2.0{F/(ubi)}1/2が得られました。

(ⅲ)鉛直プルームで浮力がゼロのジェット・プルーム,および浮力流束は不足だが十分な運動量の鉛直流束を持つ場合

 初期浮力がゼロのジェット(F=0)の場合を考えると,s=0 なら(22)dFz/dt=-s(wV)=0 よりFz=F=0 です。

 

 そこで,z<ziではFz=0 (一定)ですがz=ziで浮力流束:-bii=-(∫Δzisdz)Viを獲得して,z>ziではFz=-bii(一定)と考えることができます。

 逆転層:z=ziより上ではプルーム内部の温位θpが外気のそれθ+Δθiよりも小さく,エントレインメントが無視できてV=Vi(一定)と仮定すれば次のように書けるはずです。

z<zi(t<ti)ではFz=0 (一定),wV=Fm(一定),dV/dt==2α(wV)3/2/Vであり,一方,z>zi(t>ti)ではFz=-bii(一定),wV=-bii(t-ti)+Fm,V=Vi(一定)です。

そこで,t>tiではw=-bi(t-ti)+Fm/Viより,w=0 となるのはtmax=ti+Fm/(bii)のときです。

 

このときの高さ:z=zmaxは,zmax=zi+∫titmaxwdt=zi-(bi/2)(tmax-ti)2+(Fm/V)(tmax-ti)で与えられます。よってzmax-zi=Fm2/(2bii2)です。

さらに,ViをFm,ziで表わすためt<tiでのVを求めます。

 

従う方程式はdV/dt=2α(wV)3/2/V or d(V2/2)/dt=2α(wV)3/2=2αFm3/2です。

 

t=0 でV=V0≡Fm/w0の解は,V2/2=2αFm3/2t+(Fm/w0)2, or V={αFm3/2t+(Fm/w0)2}1/2で与えられます。

そして,w=Fm/V=よりzi=∫0ti(Fm/V)dt=2Fm(Vi-V0)/(4αFm3/2)ですからVi=2αFm1/2i+V0です。

点源ならV00 なので,Vi=2αFm1/2iより,zmax-zi=Fm2/(2bii2)=(1/2)(Fm/bi)(2α)-2i-2です。

 

よって,(34)zmax/zi=1+(1/8)α-2(Fm/bi)zi-3を得ます。

このケースでは,zmax3ziを貫通条件として採用します。そして,そして,α~ 0.125としてその条件を求めることにします。

 

無風時(calm)に中立状態でジェット・プルームが逆転層(z=zi)を貫通する条件として,(35)Fm≧16α2ii-3 ~ 0.25bii-3, or (35)'zi≦(4α)2/3(Fm/bi)1/3~ 1.59(Fm/bi)1/3が得られました。

もしも,わずかの浮力Fを持つプルームならz<zi(t<ti)ではFz=F(一定),wV=Ft+Fm,d(V2/2)/dt=2α(Ft+Fm)3/2であり,一方,z>zi(t>ti)ではFz=F-bii(一定),wV=-bii(t-ti)+Ft+Fm,V=Vi(一定)です。

t>tiでは,w=-bi(t-ti)+Ft/Vi+Fm/Viより,w=0 となるのはt=tmax=(biii+Fm)/(bii-F)のときです。

 

このときの高さ:z=zmaxは,zmax-zi=∫titmaxwdt=(Fti+Fm)2/{2Vi(bii-F)}で与えられます。

ここで,Vi=(8α/5)1/2-1/2{(Fti+Fm)5/2-Fm5/2}1/2,かつ(Fti+Fm)2={5Vi2F/(8α)+Fm5/2}4/5なのでzmax-zi={5Vi2F/(8α)+Fm5/2}4/3/{2Vi(bii-F)}なる式を得ます。

 以下,この場合もzmax≧3ziを貫通条件として中立状態大気中の逆転層(z=zi)を貫通する条件式が得られます。

 何故か,ここまででノートが終わってるので,この項はこれでおしまいにします。

参考文献:G.A.Briggs “Plume Rise",U.S.Atomic Energy Commision Division of Technical Information(1969)

 

PS1:土曜日4日午後に,4~6日に文京区春日の文京シビックセンターで開催されていた「障害者ふれあいの集い」に行ってきました。

 

  

  

 

 11/30に出席した手話講習会での情報によると,豊島区や北区でも同時に開催されているらしいです。

 

 実は私もつたない作品="牛乳などの紙パックから再生紙を作り折り紙などを切り貼りしてパウチしたコースター"を何枚か出品していて,1枚30円也で販売されてたりしていました。

   

   

  

  

  

 

PS2:鈴木宗男さん。がんばれ。

 

 一緒にしたら迷惑かもしれないけど高知のスクールバス運転手の件といい,理不尽だと思いますね。

 

 ちまたでウワサの市川海老蔵氏とそのケンカ相手も世論に負けないでくださいネ。。

 

 有名人といえども酒癖はしょうがない面ありますね。

 

 不特定の乗客を乗せるタクシー運転手と同じく(尤もこちらは遊びじゃなく仕事ですが),常識があろうとなかろうと外での個人的飲酒はキケンと背中合わせなのは.大人なんだから覚悟の上でしょう。

 

 男でも女でも,普段は物静かだったりリッパに見える方でも,酒の席では基本的に無礼講です。

 

 酔っ払うと自慢話やホラ話のテンコ盛り,酒乱,泣き上戸,怒り上戸,裸になるなどなど,性格が変わる(実は本性?)ような方々,いっぱい見てきています。本当は羨ましい限りです。

 

 本気で酒でストレス解消しようとに飲みにきているのなら,その解消法はヒトさまざまです。まあ,そうした愚行のお相手も込みで飲み屋の代金を払ってるのだと思っています。

 

 有名人とはいえ,かつての草薙つよポンのケースと同じく,普段の姿と重ねて批判されるのはカワイソーですね。

  

 私だって他人の一方的なストレス解消を迷惑だと感じて,ケンカは弱いけれど思うだけなら「こいつ,どついたろか?」と考えることもしばしばですが。。。

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2010年12月 3日 (金)

眼科に行きました。

 本日は休みを取って,11月12日以来の眼底出血?を診てもらうため朝10時頃に帝京大学病院の眼科の受付に行きました。

 帝京大病院にかかるのは2009年12月以来1年ぶりですが,眼科はもっと古くて2009年3月以来なので初診扱いでした。

 特に予約してなかったので12時頃の最後まで待たされて関西弁の男性医師に患部の右目だけ診てもらいました。

 確かに眼底出血で,症状は中くらいで深刻ではなくレーザー手術は不要だろうということでしたが,一応次回ちゃんと予約して左目も含めじっくり検査してもらうことになりました。

 出血を止める飲み薬を処方されそうでしたが,心臓病関係で血流を促す薬を服用しており,競合しそうなので,結局薬はなしで視野の好転を期待するとのことでした。年内は22日にあと1回予約診療にかかるということで終了しました。

 往きは都営三田線を新板橋駅で降りてバス停のあるJR板橋駅まで300mほど歩き,国際興業バスで帝京大病院前まで行きましたが,帰りは交通費節約のため板橋本町駅まで10分ほど歩きました。

 それから,単に巣鴨に帰ろうかな?とも思いましたが,せっかくの久しぶりの平日休みなので思い付きで神保町古書街に向かいました。そして,14時半頃まで本を見て歩くという私にとっては至福の時間を過ごしました。

 週末の金曜日なので,コーヒー専門店の「神田伯剌西爾(かんだブラジル)」の隣の車庫での小宮山書店のガレージセールがありました。そこで,1冊100円の文庫「鏡の国のアリス」(ルイス・キャロル:芹生 一訳;偕成社文庫)と「さまよう刃」(東野圭吾;角川文庫)を買いました。

 アリスものは韻文主体なので翻訳次第でかなり印象が異なるようです。

     鏡の国のアリス (偕成社文庫 2065)

 巣鴨駅の近くの店でみかんと卵を買って自宅アパート近くの「江戸橋公園(別名ロケット公園)」の前を通ると,雨も上がり冬にしては暖かかったのですが平日の16時頃でもあり季節外れの強風が舞っていたせいか人はまばらでした。

          

 誰もブランコに乗っていなかったので,TV朝日の「ちい散歩」の地井武男さんを気取るわけではないけれど,ついブランコに座ってみました。しかし,さすがに漕いでみる気にはなりませんでしたネ。  

     

 ここには他にはスベリ台やシーソーもあります。

 子供が2人いたので撮りたかったけど勝手に取ると怒られるかも知れないし,断ってまで撮る気にはならなかったので人物を撮るのはやめておきました。  

      

     

PS:ついでに,1~2週前に自宅アパートのすぐ前にある小さなお店の前で咲いていた鉢植えの花を写していたので載せます。磯菊でしょうか?:

    

    

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2010年12月 1日 (水)

プルーム上昇のモデル式(2)

 今日もプルーム上昇式の続きです。

§2.理論の単純化,エントレインメントの仮定

 これまでの議論では,未知数Fz,w,Vに対して2つの方程式しか与えられておらず,問題が閉じていません。

 

 これは,プルームの明確な定義が与えられていないため,プルームの大きさを与える式が無いことに起因すると考えられます。

 そこで,連続の方程式∇(ρpp)=0 を用いてプルームの大きさを規定する,ある方程式を与えます。

 プルーム半径をrとして,改めてプルームの平均進行速度の大きさをvsとします。さらに,エントレインメント(entrainment)速度,つまり,プルーム境界から乱流により流入する外気の平均速さをveとします。

 そして,プルームの行路長さ:sに対してds≡vsdt,またはdt≡ds/vsによってdtを定義しておきます。

 すると,質量の保存式から明らかにΔ(ρpπr2s)=ρa2πrveΔs,または(d/ds)(ρp2sa)=2rveです。こうした関係があることをエントレインメントの仮定といいます。

 特に,鉛直プルーム:s=z,dz=wdtの場合にはV=ρpπr2w/(πρa)=ρp2w/ρaなのでエントレインメントの仮定はdV/dz=2rveを意味します。

 また,(d/ds)(ρp2sa)=2rveよりρaはsに依らないとして(r2a){d(ρps)/ds}+(2rρpsa)(dr/ds)=2rveです。

さらに,dt=ds/vsよりd/ds=(1/vs)(d/dt)を用いればdr/dt=ρaep-{r/(2ρp)}{d(ρps)/ds}を得ます。

ここでTaylorによる自然な仮定:ve∝wを採用し,鉛直プルームに対するエントレインメント係数αを導入してve=αwとします。

また,再びV=ρpπr2w/(πρa)=ρp2w/ρaよりr2=ρaV/(ρpw)~V/wと近似できるという考察から,逆にプルーム半径:rをr≡(V/w)1/2によって定義します。

この定義によれば,V=r2wですが,Δ(ρpπr2s)=ρa2πrveΔs,または(d/ds)(ρp2sa)=2rveの関係は変わらず,ρp~ρaの近似で考えると依然としてエントレインメントの仮定はdV/dz=2rveです。

元々,これも仮定ですから以下ではdV/dz=2rveをエントレインメントの仮定として採用します。この右辺にve=αw,r=(V/w)1/2を代入するとdV/dz=2α(wV)1/2を得ます。

以上から,(抵抗力)を無視すると次のような簡単な基本方程式系が得られました。

(4)dFz/dz=-sV,(12)d(wV)/dz=Fz/w,

および,(13)dV/dz=2α(wV)1/2 です。

一応,未知量V,Fz,wの意味を再び述べておきます。

 

Vは鉛直容積流束,Fzは鉛直方向の浮力(gθ'/T)の流束,wはプルーム面の鉛直速度成分です。

  

プルームの行路長さと混同するおそれのある同じ変数sを用いていますが,(4)式のsは,もちろんs≡(g/Ta)(∂θa/∂z)で定義される安定度パラメータです。

 

そして,Morton,Taylor,Turner(1956)によれば,エントレインメント係数αの具体的な値の候補はα=0.093です。一方,Briggs(1968)によればα=0.075です。また,Ricou,Spalding(1961)によればジェットに対しα=0.080です。

 §3.折れ曲がりプルーム(bent-over plume)

 進行方向が完全に鉛直z方向でs=(一定)のプルーム断面が水平面内にある鉛直プルームとは異なる状態のプルームを折れ曲がりプルームといいます。

折れ曲がりプルームの場合,積分面をプルームと交わる鉛直面として,この面上ではs=(g/T)(∂θa/∂z),およびa=uは一定であると仮定します。

前と同様,∫pθ'p)dydz=-(∂θa/∂z)∫ρpw'dydzですがプルームの外ではθ'=0,w'=0 とすれば,これは(d/dx)∫Pρpθ'(u+u')dydz=-(∂θa/∂z)∫Pρpw'dydzを意味します。

そこで,浮力流束を(5)Fz≡∫P(gρpθ'w'/Ta)dxdy/(πρa)の代わりに(14)Fz≡∫P{gρpθ'(u+u')/Ta}dydz/(πρa)で定義すれば,(15)dFz/dx=-sMと表わすことができます。

ただし,再びsはs=(g/Ta)(∂θa/∂z)でありMはM≡∫Pρpw'dydz/(πρa)で定義される量です。

この場合も排出源がhot-sourceなら,浮力流束Fzの初期値Fは{(単位時間にプルーム積分面を通過する総排出熱量)×(g/Ta)/cp}/(πρa)と考えられるので,やはりF=gQH/(πρapa)で与えられます。

 そして,運動量に対する方程式は,(8)d(V)/dz=(Fz/w)a(dV/dz)+(抵抗力)の証明の際に遭遇した式:(d/dn)(∫PρppnpidS)={1+(dr/dn)2}1/2(∫Cρpppi)+δi3P(gρpθ'/Ta)dSにおいて進行方向に置くと得られます。

 d/dnをd/dxに変え,p=(u+u')i+v'+w',d={1+(dr/dx)2}-1/2(-dz+dy)+{1+(dr/dx)2}-1/2(dr/dx)dlとして,必要なi=3の場合のみを書き下します。

 

 それは,(d/dx){∫Pρp(u+u')w'dS}=∫P(gρpθ'/Ta)dS+{1+(dr/dx)2}1/2(∫Cρppw'd)=∫P(gρpθ'/Ta)dS-Cρpv'w'dz+∫Cρpw'2dy+∫Cρp(u+u')w'(dr/dx)dlです。

 u'<<uなのでu+u'~ uと近似して有効運動量流束をuMeff;Meff≡{∫Pρpw'dS-∫dx∫Cρpw'(dr/dx)dl}/(πρa)と定義しu',v',w'の2次以上の項を無視します。

 

 すると,Fz={u∫P(gρpθ'/Ta)dS}/(πρa)より,結局運動方程式として(16)u(dMeff/dx)=Fz/uが得られます。

 鉛直運動量の水平方向流束uMeffの初期値はプルーム面を通過する鉛直運動量ρpwπr2/(πρa)=ρpwr2aの総流束(鉛直方向流束)ですから,その初期値はFm=(ρ0002a)×w0=ρ00202a=ρ000aです。

そして,Briggs(1972),Richards(1963)によれば有効運動量流束uMeffの運動量流束uM;M=∫Pρpw'dydz/(πρa)に対する比率の評価値はMeff/M ~ 2.3です。

zをプルーム軸心の高さ,dt≡dx/uとしてw≡dz/dt=udz/dxと定義します。wはプルーム軸心の上昇速度を与え,解(x,z),or z=z(x)はプルームの軌跡を示します。

ここで,折れ曲がりプルームにおけるエントレインメント係数をβとします。すなわちve=βwです。有効プルーム半径をrとすると,Meff=πr2ρpw/(πρa)=wρp2aです。

折れ曲がりプルームの場合のエントレインメントの仮定はd(ρpπr2u)/dx=2πrρae,つまりd(ρp2u/ρa)/dx=2rveと表わせます。

そこで,ud(Meff/w)/dx=2rve=2rβwです。

 

r≡(Meff/w)1/2と定義すれば,(17)ud(Meff/w)/dx=2β(wMeff)1/2を得ます。

さらにwV≡uMeffによってVを定義すれば,Vは水平方向の容積流束でありr=(V/u)1/2です。これとu/dx=w/dzなる関係を用いて基本方程式系:(15),(16),(17)を書き直せば次のようになります。

すなわち,(18)dFz/dz=-s'V,(19)s'=s(M/Meff),(20)d(wV)/dz=Fz/w,(21)dV/dz=2β(uV)1/2です。

(21):dV/dz=2β(uV)1/2は,z=0 でV=0 という点源(point source)の初期条件に対しては容易に解けて,(V/u)1/2=βz,つまりr=βzです。

Richards(1963),TVA-Report(1967)によれば折れ曲がりプルームのエントレインメント係数はβ~ 0.5です。

§4.プルーム上昇高度の算出

 具体的にプルーム上昇式を求めるに際して,さらに次のような2つの仮定を与えます。

(仮定Ⅰ):鉛直プルームを満足する状態を無風状態(静穏:calm)に対応させ,折れ曲がりプルームを有風時の状態に対応させる。

(仮定Ⅱ):初期時には鉛直運動量か浮力流束のいずれか一方が支配的である。前者はジェットと呼んでF=0 とし,後者を浮力プルームと呼んでFm=0 とする。

 さて,まずdx=udt,dz=wdtにより,全ての方程式を独立変数tの式に変換します。

鉛直プルームについては,(4),(12),(13)より

 

(22)dFz/dt=-s(wV),(23)d(wV)/dt=Fz,(24)dV/dt=2α(wV)3/2/Vです。

また,折れ曲がりプルームについては,(18),(20),(21)より

 

(25)dFz/dt=-s'(wV),(26)d(wV)/dt=Fz,(27)dV/dt=2βwV(u/V)1/2です。

 以下,順に安定大気:s>0,s'>0 (s,s'は一定値を仮定)の中でのプルーム上昇高さを求めます。

(ⅰ)鉛直プルーム(無風:calm)

 このケースの基本方程式系は(22)dFz/dt=-s(wV),(23)d(wV)/dt=Fz,(24)dV/dt=2α(wV)3/2/Vです。

(22),(23)よりd2(wV)/dt2=-s(wV)を得ます。これはよく知られている線形振動の方程式です。

 

そこで,ω≡s1/2としてこれをd2(wV)/dt2=-ω2(wV)と書き,初期条件:t=0 でwV=Fm,d(wV)/dt=Fz=Fの解を求めると,wV=Fmcosωt+(F/ω)sinωtを得ます。

鉛直運動量流束wVがゼロとなる最初のt=t1がプルーム上昇高さを与えると考えられます。

  

上昇高さはΔh=∫0t1wdtですから,仮定Ⅱの浮力プルーム(Fm=0)ではt1=π/ω,よりΔh=ω-10πwdλです。

 

同様にジェットプルーム(F=0)ではt1=π/(2ω)よりΔh=ω-10π/2wdλ(λ=ωt)です。

     浮力プルーム(Fm=0)の場合

 (V2/2)/dt=V(dV/dt)=2α(wV)3/2の右辺にwV=(F/ω)sinωtを代入してd(V2/2)/dt=2α(F/ω)3/2sin3/2ωtです。

故に,V2/2=2α(F/ω)3/2ω-1{∫ωtsin3/2λdλ+const.},すなわちV=2α1/23/4ω-5/4{∫ωtsin3/2νdν+const.}1/2です。

 w=wV/V=(F/ω)sinωt/Vより,Δh=ω-10πwdλ=(1/2)α-1/21/4ω-3/4[∫0πsinλdλ{∫0λsin3/2νdν+const.}-1/2]を得ます。

したがって,ω=s1/2より定数cをc≡(1/2)α-1/2[∫0πsinλdλ{∫0λsin3/2νdν+const.}-1/2]で定義すれば,Δh=cF1/4-3/8なる関係式が成立することになります。

 t=0 のとき,V=0 の点源(const.=0)ではMorton,Taylor,Turner(1956)の数値計算があり,その示唆するところによればα=0.132としてc~ 5.0ですから,浮力プルーム上昇高さの無風状態での評価式として(28)Δh=5.0F1/4-3/8を得ます。

     ジェットプルーム(F=0)

 wV=Fmcosωtよりd(V2/2)/dt=V(dV/dt)=2α(wV)3/2の右辺にwV=(F/ω)sinωtを代入すれば,d(V2/2)/dt=2αFm3/2cos3/2ωtです。

故に,V2/2=2αFm3/2ω-1{∫ωtcos3/2λdλ+const.},すなわちV=2α1/2m3/4ω-1/2{∫ωtcos3/2νdν+const.}1/2です。

 そして,w=wV/V=Fmcosωt/Vより,Δh=ω-10π/2wdλ=(1/2)α-1/2m1/4ω-1・2[∫0π/2cosλdλ{∫0λcos3/2νdν+const.}-1/2]です。

したがって,ω=s1/2より定数c0をc0≡(1/2)α-1/2[∫0π/2cosλdλ{∫0λcos3/2νdν+const.}-1/2]と定義すれば,Δh=c0m1/4-1/4なる関係の成立することがわかります。

 t=0 のとき,V=0 の点源(const.=0)では,μ=π/2-νと変数変換すれば,cosν=sinμより∫0λcos3/2νdν=-∫π/2π/2-λsin3/2μdμ,c0=(1/2)α-1/2[∫0π/2cosλdλ{∫π/2-λπ/2sin3/2μdμ}-1/2]=(1/2)α-1/2[∫0π/2sinσdσ{∫0σsin3/2μdμ}-1/2]となります。

 点源のとき,c=(1/2)α-1/2[∫0πsinλdλ{∫0λsin3/2νdν+const.}-1/2]に対してc0=(1/2)α-1/2[∫0π/2sinλdλ{∫0λsin3/2νdν+const.}-1/2]であり,ほとんどcと同じです。

cを求めたのと同じ数値計算によれば,α=0.132に対してc0~ 4.0ですから,無風状態でのジェットプルームの評価式として(29)Δh=4.0(Fm/s)1/4を得ます。

(ⅱ)折れ曲がりプルーム(有風時)

 このケースの基本方程式系は(25)dFz/dt=-s'(wV),(26)d(wV)/dt=Fz,(27)dV/dt=2βwV(u/V)1/2です。

(25),(26)よりd2(wV)/dt2=-s(wV)なのでω'=s'1/2としてwV=Fmcosω't+(F/ω')sinω'tです。

 

これを(27)から得られるd(2V3/2/3)/dt=2βu1/2wVの右辺に代入すると,d(2V3/2/3)/dt=2βu1/2{Fmcosω't+(F/ω')sinω't}です。

 故に,V=[3βu1/2{(Fm/ω')sinω't+(F/ω'2)(1-cosω't)}]2/3=[(3βu1/2/s'){(ω'Fmsinω't+F(1-cosω't))}2/3です。

 一方,(21)dV/dz=2β(uV)1/2のz=0 (t=0)でV=0 の解はV=u(βz)2ですから,上式のVと等置するとz=(V/u)1/2/β={3/(β2us')}1/3{(ω'Fmsinω't+F(1-cosω't))}1/3を得ます。

 三角関数の合成ω'Fmsinω't-Fcosω't=(ω'2m2+F2)1/2sin(ω't+δ)を用いると,zの最大値がzmax={3/(β2us')}1/3{F+(ω'2m2+F2)1/2}1/3で与えられることがわかります。

 そして,(19)s'=s(M/Meff)によりs'∝ sなので,有風時の浮力プルーム(Fm=0)の場合は,Δh=c1{F/(us)}1/3,ジェットプルーム(F=0)の場合は,Δh=c2(Fm/u)1/3-1/6と書けます。

 ただし,c1=[6/{β2(s'/s)}]1/3,c2=[3/{β2(s'/s)}]1/3ですから,例えばβ~ 0.5,(s'/s)~ 2.3を代入して計算するとc1~ 2.19,c2~ 1.73です。

一方,Briggsによれば,有風時の浮力プルームの場合の上昇式は,(30)Δh=2.4{F/(us)}1/3,有風時のジェットプルームの場合の上昇式は(31)Δh=1.5(Fm/u)1/3-1/6で与えられるらしいです。

今日はここまでです。この項目はまだ少し続きます。

参考文献:G.A.Briggs "Plume Rise",U.S.Atomic Energy Commision Division of Technical Information(1969)

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