Development of outdoor PIV system and its application to urban boundary-layer

• Project/Area Number: 18360234
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: 水工水理学
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: KANDA Manabu Tokyo Institute of Technology, 大学院・理工学研究科, 准教授 (90234161)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): MORIWAKI Ryo 愛媛大学, 大学院・理工学研究科, 准教授 (10302952)
• Project Period (FY): 2006 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥17,360,000 (Direct Cost: ¥15,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2008: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2007: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2006: ¥8,000,000 (Direct Cost: ¥8,000,000)
• Keywords: 乱流構造 / 可視化 / 屋外計測 / 都市 / 高解像度 / 長時間

Research Abstract

(1) PIV法の適用による都市キャノピー流れ計測
キャノピー内外の詳細な流れ場の情報を得るため、超音波風速計による多点計測に代わる高時空間解像度の流れ計測法としてPIV法(Particle Image Velocimetry)を屋外都市模型実験に適用した。PIV法は室内実験において進化してきた流れ計測法であり、室内実験においては既にホットワイヤーやレーザー流速計に代わる乱流研究の主役になりつつある。大気場に適用されたのは平坦裸地における1例のみ(Hommema et al., 2003)であり、屋外の適用は今回が初めてであった。太陽光によるS/N比の問題およびレーザーの操作性の問題を克服するために、(a)安価な高出力レーザシートの採用、(b)ノズル部の特殊加工による安定したトレーサーの供給、の工夫により、高時空間分解能の流れ計測を実現した。
(2) 大規模乱流構造の解明とフラッシング現象の発見
上空風向・上空大気安定度・局所的加熱の影響を上記観測システムによって詳細に検討した。特に、都市上空の大規模乱流構造(建物スケールの10a倍~20倍程度)の通過に対応して、都市街区内の空気が間欠的かつ大規模に上空大気に持ち上げられる極めて特徴的な現象の存在が確認され、これを、「フラッシング現象」と命名した。鉛直壁面の加熱実験からは、同じ熱負荷条件でも、加熱壁が風下・風上のいずれかによって有意に、運動流・熱の輸送量が変化することが示された。
(3) 数値計算手法のモデル開発・検証用データベースの提供
PIVによる流れ場の詳細なデータベースは、乱流相似理論だけでなく数値計算モデルの検証用データベースとしても高い利用価値が期待される。具体的には、鉛直壁に沿う微細な上下降流(クリーピングフロー)の存在の有無、局所加熱・冷却による循環流の変形、鉛直壁における適切な熱・運動量境界条件検討、などに資する。

Research Products

• [Journal Article] PIVを用いた乱流計測-屋外模型都市と室内模型都市の相互比較- (2009)
  • Author(s): 瀧本浩史, 佐藤歩, 小野村史穂, 神田学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 53 Pages: 241-246
  • NAID: 120006702167
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 建物キャニオン内の気流と拡散に関する屋外都市スケールモデル実験 (2009)
  • Author(s): 佐藤歩, 瀧本浩史, 道岡武信, 神田学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 53 Pages: 247-252
  • NAID: 120006581965
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] LESによる都市大気境界層の大規模乱流構造階層性に関する研究 (2009)
  • Author(s): 章晋, LetzelMARCUS, 稲垣厚至, 瀧本浩史, 神田学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 53 Pages: 259-264
  • NAID: 120006581964
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] PIVを用いた乱流計測-屋外模型と室内模型都市の相互比較- (2009)
  • Author(s): 瀧本浩史, 佐藤歩, 小野村史穂, 神田学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 第53巻 Pages: 241-246
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] LESによる都市大気境界層の大規模乱流構造階層性に関する研究 (2009)
  • Author(s): 章晋, Letzel Marcus, 稲垣厚至, 瀧本浩史, 神田学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 第53巻 Pages: 259-264
  • NAID: 120006581964
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 屋外都市模型における時空間解析を用いた乱流構造特性の把握 (2009)
  • Author(s): 丸山綾子, 稲垣厚至, 神田学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 第53巻 Pages: 313-318
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 建物キヤニオン内の気流と拡散に関する屋外都市スケールモデル実験 (2009)
  • Author(s): 佐藤歩, 瀧本浩史, 道岡武信, 神田学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 第53巻 Pages: 247-252
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] HEAT VENTILATION EFFICIENCY OF URBAN SURFACES USING LARGE-EDDY SIMULATION (2009)
  • Author(s): Marieta Cristina Ledesma CASTILLO, Manabu KANDA, Marcus LETZEL
  • Journal Title: Annual Journal of Hydraulic Engineering, JSCE 第53巻 Pages: 175-180
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 屋外都市模型による建物高さの非一様性が大気に及ぼす影響の検討 (2008)
  • Author(s): 森泉孝信, 河合徹, 稲垣厚至, 神田学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 52 Pages: 307-312
  • NAID: 130004044028
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 大気接地境界層乱流における内部・外部スケールの乱流構造特性 (2008)
  • Author(s): 丸山綾子, 稲垣厚至, 神田学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 52 Pages: 235-258
  • NAID: 130004044020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 屋外都市スケールモデルにおけるPIV計測 (2008)
  • Author(s): 瀧本浩史, 森脇亮, 津國眞明, 神田学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 52 Pages: 259-264
  • NAID: 130004043922
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] LESによる大気境界層の乱流相似則に関する研究 (2008)
  • Author(s): した
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 52 Pages: 313-318
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 直接測定に基づく東京湾海表面温度が都市の気温へ及ぼす影響 (2008)
  • Author(s): 小田僚子, 神田学, 森脇亮
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 52 Pages: 283-288
  • NAID: 130004044024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 屋外都市スケールモデル実験COSMOのねらいと成果 (2008)
  • Author(s): 神田学, 稲垣厚至
  • Journal Title: 日本風工学会誌 第33巻4号 Pages: 299-306
  • NAID: 10024452785
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 屋外都市模型による建物高さの非一様性が大気に及ぼす影響の検討 (2008)
  • Author(s): 森泉 孝信, 河合 徹, 稲垣厚至, 神田学
  • Journal Title: 水工学論文集 第52巻 Pages: 307-312
  • NAID: 130004044028
• [Journal Article] 建物を解像したLESによる大気境界層の乱流相似則に関する研究 (2008)
  • Author(s): 章 晋, 稲垣厚至, 神田 学
  • Journal Title: 水工学論文集 第52巻 Pages: 313-318
  • NAID: 130004044030
• [Journal Article] 大気接地境界層乱流における内部・外部スケールの乱流構造特性 (2008)
  • Author(s): 丸山綾子, 稲垣厚至, 神田 学
  • Journal Title: 水工学論文集 第52巻 Pages: 235-258
  • NAID: 130004044020
• [Journal Article] 屋外都市スケールモデルにおけるPIV計測 (2008)
  • Author(s): 瀧本浩史, 森脇 亮, 津國眞明, 神田 学
  • Journal Title: 水工学論文集 第52巻 Pages: 259-264
  • NAID: 130004043922
• [Journal Article] 直接測定に基づく東京湾海表面温度が都市の気温へ及ぼす影響 (2008)
  • Author(s): 小田 僚子, 神田 学, 森脇 亮
  • Journal Title: 水工学論文集 第52巻 Pages: 283-288
  • NAID: 130004044024
• [Journal Article] 都市境界層における乱流相似則と組織構造 (2007)
  • Author(s): 神田学, 稲垣厚至
  • Journal Title: 日本流体力学会和文機関紙「ながれ」 26 Pages: 361-368
  • NAID: 110006571488
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 都市境界層における乱流相似則と組織構造 (2007)
  • Author(s): 神田 学, 稲垣厚至
  • Journal Title: 日本流体力学会和文機関紙「ながれ」 26 Pages: 361-368
  • NAID: 110006571488
• [Journal Article] 乱流組織構造の抽出法に関する検討 (2007)
  • Author(s): 廣岡 智, 稲垣厚至, 神田 学
  • Journal Title: 土木学会水工学論文集 51
  • NAID: 130003842448
• [Journal Article] 屋外模型都市におけるPIVを用いた乱流計測 (2007)
  • Author(s): 津國眞明, 森脇 亮, 神田 学
  • Journal Title: 日本気象学会2006年度春季大会講演予稿集
• [Journal Article] A comrehensive outdoor scale model experiment for urban climate (2006)
  • Author(s): Kanda, M., Kawai, T., Narita, K.-I., Hagishima, A., Moriwaki, R.
  • Journal Title: Proc. of 6th International Conference on Urban Climate, 12-16 June 2006, Goteborg, Sweden Pages: 270-273
• [Journal Article] 屋外都市スケールモデル実験COSMOのねらいと成果
  • Author(s): 神田学, 稲垣厚至
  • Journal Title: 日本風工学会誌 第33巻, 4号(in press)
  • NAID: 10024452785
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 屋外都市模型上で発達する乱流構造特性 (2008)
  • Author(s): 稲垣厚至, 神田学
  • Organizer: 日本流体力学会年会2008年講演要旨集
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2008-09-07
• [Presentation] 屋外模型都市におけるPIVを用いた乱流計測 (2008)
  • Author(s): 瀧本浩史, 森脇亮, 小林賢司, 神田学
  • Organizer: 日本気象学会2008年度春季大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2008-05-20
• [Presentation] 接地境界層スケールと混合層スケール乱流変動の分離 (2008)
  • Author(s): 稲垣厚至, 神田学
  • Organizer: 日本気象学会2008年度春季大会講演予稿集
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2008-05-20
• [Presentation] 屋外模型都市におけるPIVを用いた乱流計測 (2008)
  • Author(s): 瀧本浩史, 森脇亮, 小林賢司, 神田学
  • Organizer: 日本気象学会2008年度春季大会講演予稿集
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2008-05-20
• [Presentation] 屋外模型都市における内部・外部スケールの乱流構造特性 (2008)
  • Author(s): 丸山綾子, 稲垣厚至, 神田学
  • Organizer: 日本気象学会2008年度春季大会講演予稿集
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2008-05-18
• [Presentation] Large Eddy Simulationを用いた都市建物群近傍における乱流輸送課程の把握 (2008)
  • Author(s): CASTILLO Marieta Cristina, 神田学
  • Organizer: 日本気象学会2008年度春季大会講演予稿集
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2008-05-18
• [Presentation] PIV計測及び温度変動解析による屋外模型都市上の乱流構造に関する研究, 水文・水資源学会 (2008)
  • Author(s): 小林賢司, 瀧本浩史, 神田学
  • Organizer: 2008年度研究発表会要旨集
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] PIV Application to Turbulence Statistics within and above an Outdoor Urban Scale Model (2008)
  • Author(s): Takimoto, H., Moriwaki, R., Tsukuni, M., Kobayashi, K., and Kanda, M
  • Organizer: The 4th International Conference on Advances in Wind and Structures
  • Place of Presentation: Jeju, South Korea
• [Presentation] PIV Application to Turbulence Statistics within and above an Outdoor Urban Scale Model (2008)
  • Author(s): Takimoto, H., Moriwaki, R., Tsukuni, M., Kobayashi, K., Kanda, M
  • Organizer: The 4th International Conference on Advances in Wind and Structures Environment, American Meteorological Society
  • Place of Presentation: Jeju, South Korea
• [Presentation] PIV計測及び温度変動解析による屋外模型都市上の乱流構造に関する研究 (2008)
  • Author(s): 小林賢司, 瀧本浩史, 神田学
  • Organizer: 水文・水資源学会2008年度研究発表会要旨集
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 建物群を解像した大気協会層の大規模並列Large Eddy Simulation (2008)
  • Author(s): 山下佳美, 章晋, 神田学
  • Organizer: 水文・水資源学会2008年度研究発表会要旨集
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 都市域における乱流観測の現状と展望 (2007)
  • Author(s): 神田学
  • Organizer: 第53回風に関するシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京(基調講演)
  • Year and Date: 2007-06-21
• [Presentation] 都市域における乱流観測の現状と展望 (2007)
  • Author(s): 神田 学
  • Organizer: 第53回風に関するシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-06-21
• [Presentation] 屋外模型都市におけるPIVを用いた乱流計測 (2007)
  • Author(s): 森脇亮, 津國眞明, 神田学
  • Organizer: 土木学会第62回年次学術講演会
  • Place of Presentation: 東広島
• [Presentation] Evaluation of the inner-scaling similarity of turbulence over urban-like roughness derived from an outdoor scale model experiment (2007)
  • Author(s): Inagaki, A., and Kanda, M
  • Organizer: Seventh Symposium on the Urban Environment American Meteorological Society
  • Place of Presentation: San Diego, CA
• [Presentation] 都市境界層における乱流相似則と組織構造 (2007)
  • Author(s): 神田学
  • Organizer: 日本流体力学会年会2007
  • Place of Presentation: 東京(特別講演)
• [Presentation] 屋外都市模型上における接地境界層乱流特性 (2007)
  • Author(s): 稲垣厚至, 神田学
  • Organizer: 日本流体力学会年会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] IVを用いた屋外都市スケールモデルでの乱流計測 (2007)
  • Author(s): 森脇亮, 神田学, 津国眞明
  • Organizer: 日本流体力学会年会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 都市型凹凸地表面上空における乱流統計量の粗度スケール依存性 (2007)
  • Author(s): 稲垣厚至, 森泉孝信, 神田学
  • Organizer: 水文・水資源学会2007年度研究発表会
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Presentation] 屋外模型都市におけるPIVを用いた乱流計測 (2007)
  • Author(s): 津國眞明, 森脇亮, 神田学
  • Organizer: 日本気象学会2007年度春季大会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] Evaluation of the inner-scaling similarity of turbulence over urban-like roughness derived from an outdoor scale model experiment (2007)
  • Author(s): Inagaki, A., and Kanda, M.
  • Organizer: Seventh Symposium on the Urban Environment, American Meteorological Society
  • Place of Presentation: San Diego, CA
• [Presentation] 都市境界層における乱流相似則と組織構造(特別講演) (2007)
  • Author(s): 神田 学
  • Organizer: 日本流体力学会年会2007
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 屋外都市模型上における接地境界層乱流特性 (2007)
  • Author(s): 稲垣厚至, 神田 学
  • Organizer: 日本流体力学会年会2007
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] PIVを用いた屋外都市スケールモデルでの乱流計測 (2007)
  • Author(s): 森脇 亮, 神田 学, 津國 眞明
  • Organizer: 日本流体力学会年会2007
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 都市型凸凹地表面上空における乱流統計量の粗度スケール依存性 (2007)
  • Author(s): 稲垣厚 至, 森泉 孝信, 神田 学
  • Organizer: 水文・水資源学会2007年度
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 屋外模型都市におけるPIVを用いた乱流計測 (2007)
  • Author(s): 森脇 亮, 津國眞明, 神田 学
  • Organizer: 土木学会 第62回年次学術講演会
  • Place of Presentation: 東広島
• [Remarks]
  • URL: http://www.ide.titech.ac.jp/~kandalab/ja/research/research.html