PIV法および直接数値計算法による流砂のマイクロメカニクスの解明

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650575
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: WELLS John C. 立命館大学, 理工学部, 助教授 (60301644)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 梶島 岳夫 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30185772) ; 杉山 進 立命館大学, 理工学部, 教授 (20278493) ; 江頭 進治 立命館大学, 理工学部, 教授 (00027286) ; 山本 恭史 関西大学, 工学部, 助手 (90330175) ; 竹原 幸生 近畿大学, 理工学部, 助教授 (50216933)
• Keywords: 壁乱流 / 掃流砂 / 粒子 / 衝突 / 反発係数 / シミュレーション / 可視化測定法 / マイクロセンサ

Research Abstract

本研究は、流砂のマイクロメカニクスを解明するに当たり、次の三つの課題に焦点を絞り、これらを推進している。
(1)乱流と粒子運動のシミュレーション法の開発・検証、(2)force-momentマイクロセンサの開発・検証、(3)流砂の微視的挙動の解明。
課題(1)では、流水中の粒子間接触力に関する合理的なモデルを導入する必要がある。そのため、昨年度においては沈降する球形粒子とステンレス版の水中反発係数が表面粗さによって弱まることがわかった。今年、同じ実験材料を用いて空気中の反発係数を測定した結果、粗さの影響は水中と同程度であった。したがって、衝突中接触している凹凸の間の液体の粘性よりも・凹凸の塑性変形などに伴う散逸が支配的であることが結論となる。DNSに関する梶島の手法に対しては、粒子の加速度を正しく計算するような計算法を提案している。また、シミュレーションコードのOpen MP下の並列化を行った結果、16ノードのクラスターにおける計算時間はsingle processorと比べてほぼ1/10になっている。
課題(2)においては、水路床の粒子に働く力およびモーメントのすべての成分を測定できるピエゾ抵抗型マイクロセンサを開水路床に設置し、再現性のある信号を得た。また、センサーチップの設計を改善した結果、S/Nのより高い装置を実現できた。
課題(3)に関しては、滑面開水路における等流乱流の数値シミュレーションを行い、河床に設置した半球に働く流体力を梶島法で計算した結果、抗力と揚力の相関が非常に高く、また、それらと周りの主流速度成分の相関が高いことがわかった。また、縦渦の高さより小さい粒子(d+=12)に働く流体力の統計特性は大きい粒子と比べて随分違うことを明らかにした。

Research Products

• [Publications] Wells, J.C., sugimoto, H., Nguyen, C.V., Kishida, K.: "Camera calibration for stereo P.I.V. with a front-rear camera arrangement. Application to open-channel flow"土木学会 水工学論文集. 47. 451-456 (2003)
• [Publications] Dao, D.V., Toriyama, T., Wells, J.C., Sugiyama, S.: "Silicon Piezoresistive Six-Degree of Freedom Force-Moment Micro Sensor"Sensors and Materials, International Journal on Sensor Technology. 15(3). (2003)