New developments in fluid and mixed grain size granular mechanics based on Available Porosity theory
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21K18750
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 22:Civil engineering and related fields
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
内田 龍彦 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 准教授 (00379900)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橋本 涼太 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60805349)
河原 能久 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 名誉教授 (70143823)
井上 卓也 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 准教授 (20647094)
鳩野 美佐子 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (40837019)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
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| Keywords | 分級 / 細粒土砂 / 空隙率 / 流速分布 / 掃流力 / 利用可能空隙率 / オイラー型混相流モデル / 混合粒径 / 粗粒化 / 混合粒径流砂量式 / AP理論 / 堆積実験 / 粒径比 / 粗粒子充填 / 細粒子充填 / 歪 / 浸透流 |
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| Outline of Research at the Start |
混合粒径の土砂輸送解析においては領域平均可能なオイラー型の有効な解析手法が確立されておらず，半世紀近く未解決のままであり，河川，海岸や地形に関する多くの学術，技術の発展を妨げている．申請者はAvailable Porosity(AP)という新しい理論を提案し，粒径集団ごとに空間平均された連続式を理論的に定式化することに成功し，混合粒径土砂の最密空隙率の計算法を開発した．本研究はAP理論を応用し，流体・細粒子の混合粒径集合体への浸透過程，および混合粒径粒状体・流体の混相流動などマクロモデルによる検討が出来なかった問題のモデル化に挑戦するものである．
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| Outline of Annual Research Achievements |
河床材料は上流部に存在するメートルスケールの大きな石から大きな石の空隙や下流に存在する砂などの細粒分で構成させている．混合粒径の土砂輸送解析は河川の地形変化や土砂輸送解析に必須であるが，広域，長期解析に適する領域平均可能なオイラー型の有効な解析手法が確立されていない．具体的には混合粒径土砂輸送解析に用いられてきた交換層厚と空隙率は計算結果を支配する重要なパラメータであるが，これまで決定的な評価手法は無い問題があった．著者らは個別の粒子を解析する個別要素法では，交換層の問題が表れないことに着目し，積分可能なオイラー型モデルでも空隙率や交換層の問題を解決することができると考え，細粒子の利用可能空間として定義されたAvailable Porosity (AP) という新しい理論を提案し，検討してきた．
本研究では，混合粒径河床の連続式を理論的に導くことで，混合粒径河床の計算における交換層厚と河床高の問題を明らかにし，各粒径の土砂堆積高がAPから決定されることが重要であることを示した．また，粒度分布と空隙率の関係が二粒径粒子群のCoarse PakingとFine Packingで特徴づけられることに着目し，粒度分布の標準偏差とひずみと空隙率の関係を明らかにした，さらに現地の大きな粒径を含む土砂の空隙率の計測方法を開発し，本理論と比較した．そして締固め度などの充填方法による空隙率の違いは一様粒径の空隙率で評価できることを示した．
流砂表評価に対しては河床表層の空隙における流速鉛直分布の理論式を導出した．また空隙の細粒子に作用する粒子の掃流力の評価方法を示し，細粒土砂が流出する際の河床表層の粗粒化と空隙率の変化による土砂の総体積の変化を再現することを可能とした．
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Report
(3 results)
Research Products
(10 results)
