Theoretical elucidation for spatiotemporal structures of turbulent particle transports and landform patterns in solid-gas multiphase flow

• Project/Area Number: 17K14353
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Mathematical physics/Fundamental condensed matter physics
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: Niiya Hirofumi 新潟大学, 研究推進機構, 特任助教 (80794982)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 固気混相流 / 飛砂 / 飛雪 / 数値モデリング / Large-eddy simulation / スプラッシュ過程 / 傾斜地形 / 埋め込み境界法 / 吹雪 / 画像解析 / 地形形成 / Large-Eddy Simulation / 数理物理 / 乱流輸送

Outline of Final Research Achievements

This study aimed to investigate the mechanism of blown sand and drifting snow with complex spatio-temporal structures. I developed a new model for turbulent transports of solid particles named as "Large-eddy simulation coupled with Lagrangian snow transport model." Numerical simulations showed the following result. The intermittent transport is formed in the low-wind condition because of the stop-start saltation movement, whereas the continuous transport exhibiting the streak pattern in the streamwise direction is formed in the relatively high-wind condition.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果である固体粒子の乱流輸送モデルは，粒子運動力学と流体力学で培われた手法を相互に組み合わせており，既存の観測・実験的表式を理論的に裏付けするとともに，これまで計測が困難であった地表面近傍の輸送特性や跳躍・浮遊層に及ぶ輸送構造の変動性を解明する新たな手法となり得る．また，本成果は，砂嵐や吹雪など固気混相流の自然現象の高精度予測，例えば，発生条件やその強度の推定に繋がり，自然災害の防災・減災に資することが期待される．

Research Products

• [Journal Article] Simple Particle Model for Low-Density Granular Flow Interacting with Ambient Fluid (2020)
  • Author(s): Hirofumi Niiya, Akinori Awazu, Hiraku Nishimori
  • Journal Title: Geosciences Volume: 10 Issue: 2 Pages: 69-69
  • DOI: 10.3390/geosciences10020069
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a large-eddy simulation coupled with Lagrangian snow transport model (2018)
  • Author(s): Okaze Tsubasa、Niiya Hirofumi、Nishimura Kouichi
  • Journal Title: Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics Volume: 183 Pages: 35-43
  • DOI: 10.1016/j.jweia.2018.09.027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a large-eddy simulation coupled Lagrangian snow transport model (2018)
  • Author(s): Tsubasa Okaze, Hirofumi Niiya, and Kouichi Nishimura
  • Journal Title: Proceedings of International Workshop on Wind-Related Disasters and Mitigation Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Investigation of the spatio-temporal variability of blowing snow (2019)
  • Author(s): K. Nishimura, M. Nemoto, T. Okaze, H. Niiya
  • Organizer: The 27th IUGG General Assembly
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transition of Snow-Transport Patterns from Intermittency to Continuity (2019)
  • Author(s): H. Niiya, T. Okaze, M. Nemoto, K. Nishimura
  • Organizer: The 27th IUGG General Assembly
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スプラッシュ過程に関する風洞実験：高速度カメラによる雪粒子の飛跡 (2019)
  • Author(s): 新屋啓文
  • Organizer: 雪氷圏変動把握にむけた積雪表面近傍の現象理解に関する研究集会
• [Presentation] 接地層における粒子輸送形態の変化：間欠性から連続性へ (2019)
  • Author(s): 新屋啓文，大風翼，根本征樹，西村浩一
  • Organizer: 混相流シンポジウム2019
• [Presentation] 2018年冬期の北海道川上郡弟子屈町における吹雪の長期観測 (2019)
  • Author(s): 増澤諭香，新屋啓文，大宮哲，大風翼
  • Organizer: 雪氷研究大会（2019・山形）
• [Presentation] １つの吹雪イベントを対象とした２次元フェンス周辺の吹きだまり観測 (2019)
  • Author(s): 大風翼，新屋啓文，大宮哲，砂子宗次郎，西村浩一
  • Organizer: 雪氷研究大会（2019・山形）
• [Presentation] 雪粒子の空気輸送モデルによる地吹雪メカニズムの解明 -その５ 間欠性から連続性への輸送形態の変化- (2019)
  • Author(s): 新屋啓文，大風翼，根本征樹，西村浩一
  • Organizer: 雪氷研究大会（2019・山形）
• [Presentation] 風速強度に応じた粒子輸送形態の遷移：間欠性から持続性へ (2019)
  • Author(s): 新屋啓文，大風翼，西村浩一
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] 低温風洞におけるスプラッシュ過程の測定 (2018)
  • Author(s): 新屋啓文，大宮哲，根本征樹，大風翼
  • Organizer: 日本雪氷学会 北信越支部大会
• [Presentation] 高密度集中観測による吹雪の時空間構造の解明 (2018)
  • Author(s): 根本征樹，西村浩一，大宮哲，櫻井俊光，下山宏，新屋啓文，羽賀秀樹，伊藤陽一
  • Organizer: 雪氷研究大会（2018・札幌）
• [Presentation] 雪粒子の空気輸送モデルによる地吹雪メカニズムの解明 -その３ 風速増加に伴う輸送形態の変化- (2018)
  • Author(s): 新屋啓文，大風翼，西村浩一
  • Organizer: 雪氷研究大会（2018・札幌）
• [Presentation] 雪粒子の空気輸送モデルによる地吹雪メカニズムの解明 -その４ ハイスピードカメラによるスプラッシュ過程の把握- (2018)
  • Author(s): 大風翼，新屋啓文，大宮哲，根本征樹
  • Organizer: 雪氷研究大会（2018・札幌）
• [Presentation] Wind-tunnel experiments on splash process: three-dimensional particle track with high-speed cameras (2018)
  • Author(s): H. Niiya, S. Omiya, M. Nemoto, T. Okaze
  • Organizer: International symposium on snow and avalanche in Niseko
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Splash process due to a grain impact on granular bed (2018)
  • Author(s): T. Tanabe, H. Niiya, A. Awazu, H. Nishimori
  • Organizer: International symposium on snow and avalanche in Niseko
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a large-eddy simulation coupled with Lagrangian snow transport model (2018)
  • Author(s): T. Okaze, H. Niiya, K. Nishimura
  • Organizer: International symposium on snow and avalanche in Niseko
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of the spatio-temporal variability of blowing snow (2018)
  • Author(s): M. Nemoto, K. Nishimura, S. Omiya, T. Sakurai, K. Shimoyama, H. Niiya, H. Haga, Y. Ito
  • Organizer: International symposium on snow and avalanche in Niseko
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a large-eddy simulation coupled Lagrangian snow transport model (2018)
  • Author(s): Tsubasa Okaze, Hirofumi Niiya, and Kouichi Nishimura
  • Organizer: International Workshop on Wind-Related Disasters and Mitigation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 乱流境界層における固体粒子の非定常輸送 (2017)
  • Author(s): 新屋啓文，大風翼，西村浩一
  • Organizer: 日本流体力学会 第31回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 雪粒子の空気輸送モデルによる地吹雪メカニズムの解明 -その２ 数値計算による境界層中の非定常な地吹雪の再現- (2017)
  • Author(s): 大風翼，新屋啓文，西村浩一
  • Organizer: 雪氷研究大会（2017・十日町）
• [Presentation] 雪粒子の空気輸送モデルによる地吹雪メカニズムの解明 -その１ ラージ・エディ・シミュレーションに基づくラグランジュ型雪粒子輸送モデルの構築- (2017)
  • Author(s): 新屋啓文，大風翼，西村浩一
  • Organizer: 雪氷研究大会（2017・十日町）
• [Presentation] 粒子の空気輸送モデルにおける時空間パターンの定量的解析 (2017)
  • Author(s): 新屋啓文，西村浩一，大風翼
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [Presentation] 粒度分布による粉体スプラッシュへの影響 (2017)
  • Author(s): 田邊章洋，新屋啓文，粟津暁紀，西森拓
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [Presentation] 乱流境界層における固体粒子の集団輸送モデリング (2017)
  • Author(s): 新屋啓文，西村浩一，大風翼
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2017
• [Presentation] ラージ・エディ・シミュレーションに基づくラグランジュ型飛雪モデルの開発 (2017)
  • Author(s): 大風翼，新屋啓文，西村浩一
  • Organizer: 日本風工学会年会
• [Presentation] Numerical Study of Splash Detail Due to Grain Impact on Granular Bed (2017)
  • Author(s): T. Tanabe, H. Niiya, A. Awazu, H. Nishimori
  • Organizer: European Geosciences Union General Assembly 2017
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 新屋啓文のホームページ
  • URL: http://hniiya.sakura.ne.jp/