2017 Fiscal Year Research-status Report
階段状水路におけるnonaerated skimming flowの特性
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16K06518
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
高橋 正行 日本大学, 理工学部, 教授 (10318363)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 階段状水路 / 乱流境界層 / 射流 / skimming flow / 比エネルギー / エネルギー損失 / 水理構造物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
急勾配水路の傾斜面を階段状にすることで高速流を水路上で減勢できることは直感的には理解されている．しかし，定量的な減勢量とメカニズムは必ずしも明確とは言えない．階段状水路に流入した流れは，最初は，空気混入していない透明なnonaerated skimming flowとなる．さらに，ある程度の距離を流下した後に水面から空気混入し，白色のaerated skimming flowとなる．現在までに研究代表者らの研究によって，aerated flowの水深，流速，比エネルギーの大きさは解明された．しかしながら，nonaerated skimming flowにおける階段状水路によるエネルギー減勢効果は不明であり，nonaerated skimming flowの水深，流速，比エネルギーの大きさを予測することが水工設計上重要となっている．また，nonaerated skimming flowの水面形と乱流境界層発達状態の解析的計算法は確立されていない．
本研究課題では，nonaerated skimming flowの水深，流速，および境界層発達状態を系統的実験に基づき明らかにし，解析的に水深，乱流境界層厚，および比エネルギーを求める手法を開発することを目的にしている. 平成29年度は，乱流境界層厚と水面形を理論的に求める方程式を導くことができ，さらに水路傾斜角度θ=19°と30°の階段状水路のnonaerated skimming flowを対象に，水深，流速，比エネルギーの大きさについて実験的検討を行った.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度と29年度は水路傾斜角度θ=19°と30°の階段状水路のnonaerated skimming flowを対象に,水深,流速,比エネルギーの大きさについて実験的検討を加えた．その結果を用い，乱流境界層厚を求める合理式を示し，さらに水面形方程式を解析的に導くことができた(Proc. 37th IAHR Cong. 2017)．また，平成28年度までの流速測定は主としてピトー管を用いたものであったが，流速の流下方向変化やエネルギー減勢のメカニズムを知るためにレーザー流速計も併用した．しかしながら，レーザー流速計を用いた流速の測定値にノイズの混入が認められ，その除去に時間を要し，得られた測定値はθ=19°の場合のみに限られた．平成29年度は，θ=30°を対象に引き続きレーザー流速計による測定を実施した．
階段状水路の乱流境界層の発達状態については，先に提案した合理的な実験式のみならず，解析的な方法の開発が試みられた．その結果，解析的に境界層厚を求めるための式の導出ができた．
以上より，本研究課題の研究期間中の進捗状況としては，おおむね順調に進展しているものと解釈される．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は，平成29年度に得られた階段状水路のnonaerated skimming flowの水面形と乱流境界層の発達状態の解析的計算法を用いて，解析的に乱流境界層厚と水面形状を求めるための計算手法の検証を主に行う予定である．また，乱流境界層厚を解析的に求めるために必要な流速分布の詳細を知るため，θ=19°から55°の階段状水路の流速特性について知る必要がある．平成28年度の研究成果によってピトー管で得られた平均流速分布を示すことはできている．これからは，レーザー流速計も用い，これまでに得られている平均流速分布の検証と共に詳細な流速場の検討を行うことを予定している．平成29年度より，レーザー流速計による測定が可能な階段状水路は二本になった．しかしながら，平成30年度は実験室の移転が予定されているため，この機会に階段状水路の落差を大きくし，より広範囲な水理条件での水深・流速の測定が可能となるように水路の調整と整備を行う.
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| Causes of Carryover |
（理由）
平成29年度に使用予定の階段状水路模型の改修に関わる費用について，平成30年度には校舎新設に伴い実験室の移転を大学当局から求められることを勘案し，移転先では既存の階段状水路模型の使用ができなくなることを考え，可能な限り部品の再利用を試みた．そのため、次年度使用額が生じることとなった．
（使用計画）
次年度使用金額を用いて，平成30年度中に実験室の移転後にも継続して研究可能な階段状水路模型の維持・補修を計画している．
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