土石流内部に発生するインターフェースに着目した土石流構成則の適用性に関する研究

2005 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17780118
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 堀田 紀文 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 助手 (00323478)
• Keywords: 土石流 / 乱流 / 粘性底層 / レイノルズ数 / 間隙水圧

Research Abstract

本研究は,土石流の流動層内における層流と乱流のインターフェースの変化に着目することによって,現在の土石流構成則の適用性について検討すること,土石流における層流〜乱流への流れの遷移を明らかにすることを目的としている.
本年度は,インターフェースとして粘性低層厚さを用いた上で,粘性低層厚さを代表長さとしたレイノルズ数(Reδ)をまず定義し,ダイラタント流体に一般的に用いられるレイノルズ数(Red)との比較を行った.実験結果から,
・ReδとRedは良好に対応し,ともに層流〜乱流の流れの遷移を表現すること
・Redの限界レイノルズ数が1000程度であること
が明らかになった.Redは,変数として土石流濃度cと土砂の粒径dによる相対水深(h/d)からなる関数であるから,Red=1000として,流れの遷移が生じる際のcとh/dの関係を求めることが可能である.計算を行った結果,土石流の構成則の適用性について,
・土石流濃度の小さな領域(およそ0.1以下)では構成則の適用性が著しく落ちること
・それが土石流の構成則における間隙流体の応力項に起因すること
が示された.また,土石流の応力構造が変化するために,土石流濃度によって流れが層流から乱流に遷移する条件は変化するが,
・おおむね相対水深(h/d)20〜30で層流〜乱流への遷移が生じること
が明らかになった.相対水深20〜30というのは実際の土石流の流動状態と一致しており,ここで得られた結果は,数値シミュレーション等において土石流の流動形態(層流・乱流)を区分することが重要であること,従来のように材料特性のみで土石流と泥流を区分することが困難であること,を意味している.