2018 Fiscal Year Annual Research Report

時空間マルチスケール新理論による津波防災施設の最適設計への挑戦

Research Project

Project/Area Number	17J05235
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	野村怜佳東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2017-04-26 – 2020-03-31
Keywords	防潮林 / 津波 / 防災 / 数値実験 / 三次元数値解析 / 安定化有限要素法
Outline of Annual Research Achievements	2011年、東北地方沿岸部に多大な被害を与えた津波災害以降、複数の防災設備を敷設することで、減災を図ろうとする多重防御の取り組みが闊達になっている。本研究では、多重防御設備の中でも特に自然生態系を利用した防災・減災設備として期待の高い防潮林内に注目し，三次元性の卓越する樹木群内の流れをより効率的・精緻に予測することを可能にする時間・空間マルチスケールモデリングの構築を目指す。今年度は，三次元直接数値実験によって防潮林の抵抗特性を評価する手法を提案し，これらの提案手法から得られた結果をもとに二次元広域シミュレーションを効率的に行う段階に取り組んだ．提案手法では，従来，抗力係数や粗度係数といった実験・経験則に基づいて決定されてきた樹木の抵抗特性が数値実験によって評価される．提案手法に基づき，樹木を模したモデルに対して三次元直接数値シミュレーションを行ったところ，樹幹部周りの複雑な流れが観察された．これらは既往研究がシミュレーションや水理実験の際に利用してきた円柱群モデルには観察されないものであり，本評価手法によって，樹木の形状特性を考慮した抵抗評価が実現されると考えられる．流入条件を変更した解析を複数施行することで，抵抗特性を水深や流速に対する応答関数としてまとめた．得られた応答関数によって決定される抗力項を，浅水長波流れの運動方程式に挿入することで，防潮林内を遡上する広域流れの支配方程式とした．この方程式を基に．二次元広域解析を行ったところ，従来の三次元直接数値実験と比較しておよそ1/10程度の計算コストで広域防潮林内通過流れを再現することが可能になった．平成30年度末現在，一連の成果をまとめた論文の投稿準備段階にある．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2018年度は，海外研究機関への滞在や国内外の学会発表等の活動に加え，年度初めに立てた計画に基づく研究の遂行により，津波防災設備のひとつである防潮林について，その減災効果を定量的に評価する手法の構築・検証を達成した．この提案手法により，既往の津波浸水解析では表現の難しかった，樹幹部形状周りの複雑流れに起因する樹木の特殊な抵抗特性を二次元浅水長波解析へ効率的に反映することができるようになった．また，この提案手法によって行った防潮林内流れの再現解析により，定常状態における樹木の抵抗特性，防潮林内部の流速や浸水深などに関して信頼に足る評価を行うことが確認できた．これら一連の成果は査読付き国際誌へ投稿する準備段階にある．
Strategy for Future Research Activity	最終年度となる2019年度は，本研究課題名にも含まれる時空間マルチスケール理論の補強を行う予定である．非定常性の卓越する津波という現象のシミュレーションに提案手法を応用するため，流動状態の時間方向の平均化・均質化理論を構築し，その妥当性を検証することになっている．水理実験の実施及びそれらによって得られたデータとの比較・検証なども研究計画に含まれており，津波防災設備の効率的・正確な性能評価のために，汎用性の高い研究成果が生まれることが期待される．研究計画策定当初，津波防災設備に対して及ぼす影響が大きいとされる泥流化した津波挙動を考慮することも研究課題の一つとして掲げていたが，初年度の取り組みの中で想定外の理論的・技術的障壁が明らかになったため，津波防災設備の中でも特に防潮林に対象を絞って研究課題を達成していく予定である．一連の研究成果は1件の国内学会（計算工学講演会（大宮）），1件の国際学会（IUGGN2018，モントリオール）で発表し，議論や意見交換などを通じたフィードバックによって適宜ブラッシュアップしていく．