複断面水路流れの水平組織渦の安定性と土砂輸送機構の解明

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07455195
• Research Category: Grant-in-Aid for General Scientific Research (B)
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 池田 駿介 東京工業大学, 工学部, 教授 (60016590)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 泉 典洋 東京工業大学, 工学部, 助手 (10260530) ; 八木 宏 東京工業大学, 工学部, 講師 (80201820)
• Keywords: 複断面水路 / 水平渦 / 変曲点不安定 / カルマン渦列 / 2列渦列の干渉 / 物質輸送 / SDS / PIV

Research Abstract

複断面開水路では、低水路・高水敷間の流速差に基づく変曲点不安定によって水平渦が生じることが知られているが、両岸に高水敷を有する複断面開水路では2列の渦列が発生するため、それに加えてカルマン渦列のように渦同士の干渉による渦列自身の安定性が水平渦の挙動を決めている。本研究ではこれら2つの渦の安定要因、それに伴う運動量・物質輸送、渦の間欠性・3次元性と2次流の関連性について明らかにする。研究開始1年目である本年度は次の様な成果を得た。
(1)広幅水路(幅120cm,長さ14m)を用いて渦列の平面安定性を調べた。即ち、高水敷高さ、水深を変化させ、系統的な実験を行った。既に幅40cmの水路により得られている結果と併せて、平面渦列が最も安定する水理条件を得た。同時に、2次元レーザー流速計を使用して低水路・高水敷間に働くレイノルズ応力を測定した。その結果、変曲点不安定に基づく渦の安定配置と、2列渦列の干渉に基づく渦の安定配置が一致したとき、レイノルズ応力は最大となり、低水路・高水敷間の運動量および物質の移動は最大となることが明らかとなった。
(2)上記結果を一般化するために1方程式乱流モデルであるSDS&2HDモデルを用いて渦の発達、合体の状況を様々な水理条件について数値シミュレーションし、水平渦の安定性およびそれに伴う横断方向運動量輸送量を調べた。これにより、上記実験結果を確かめると共に、渦列の安定性を支配する水理条件について一般的な取扱いが可能となった。
(3)PIV法およびレーザー流速計を用いて、水平渦の3次元流速場を測定する。この結果から斜昇流や2次流成分を抽出し、水平渦の3次元性との関連について詳細に調べた。このときにより、従来別個の現象として個々に取り扱われてきた諸現象間の関連性を明らかにした。

Research Products

• [Publications] 池田駿介: "複断面開水路流に発生する大規模水平渦の構造" 第27回乱流シンポジウム講演論文集. 27. 101-104 (1995)
• [Publications] 池田駿介: "不規則応答解析による穂波に関する研究" 第27回乱流シンポジウム講演論文集. 27. 291-294 (1995)
• [Publications] 池田駿介: "複断面開水路水平渦の安定性とその3次元構造" 土木学会論文集. 509/II-30. 131-142 (1995)