マグヌス効果:回転円柱と循環による揚力

一様流中の循環つき円柱(2次元ポテンシャル流)。クッタ=ジューコフスキーの定理 L = ρUΓ

① 循環の強さ s = Γ/(4πaU)
② 一様流速 U [m/s]
③ 流体密度 ρ [kg/m³]

表面圧力係数 Cp(θ) = 1 − (vθ(a)/U)²

横軸 θ [度]、縦軸 Cp。青:上半面 (0°〜180°) 橙:下半面 (180°〜360°) 灰破線:Γ=0 の分布 ●:よどみ点 (Cp=1)

数値パネル(円柱半径 a = 0.10 m、単位長さあたり)

循環 Γ = 4πaU·s
回転方向
理論揚力 L = ρUΓ
Cp の θ 積分による揚力
両者の差
Cp 積分による抗力 D
揚力の向き
よどみ点
表面流速 上端 / 下端
平均 Cp 上半面 / 下半面

符号定義:θ は円柱中心から下流方向(+x、右)を 0° とし反時計回りに測る。揚力は +y(画面上向き)を正とし、 L数値 = −∮p ny ds = −½ρU²a∫02πCp(θ) sinθ dθ(720 分割の中点則)。Γ>0 は時計回りの循環(式の −Γ/(2πr) 項)。

速度場:vr = U cosθ(1−a²/r²)、vθ = −U sinθ(1+a²/r²) − Γ/(2πr)。トレーサーは RK4 で数値積分。

ポテンシャル流近似:非粘性・渦なし流れとして扱い、粘性・境界層・剥離・後流は考慮しない(そのため抗力は 0 = ダランベールのパラドックス)。

注(角度の前提):この速度場では Γ=0 のよどみ点は sinθs=0 より θ=0°(真下流側=後端)と 180°(真上流側=前端)になり、流れの軸に対して上下対称。題意の「θ=90°,270°」は流れ方向に垂直な軸から測った角に相当し、sinθs = −Γ/(4πaU) の式と同時には成り立たないため、本図は式どおり流れ方向から測った θ で表示する(数値パネルには流れに垂直な軸から測った φ=θ+90° も併記し、Γ=0 で φ=90°, 270° となる)。

トレーサーの表示速度は U とともに増減する(見やすさのための縮尺で実時間ではない)。|s|>1 では黄線(よどみ流線)で囲まれた閉じた循環領域(水色)内の粒子(白)が円柱のまわりを周回し続ける。