2017 Fiscal Year Research-status Report
移動床流れへのハイブリッド・アプローチ：土砂混入による変調現象の理解を目指して
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17K06573
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
横嶋 哲 静岡大学, 工学部, 准教授 (80432194)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
音田 慎一郎 京都大学, 工学研究科, 准教授 (50402970)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 粒子混相流 / 乱流シミュレーション / 埋め込み境界法 / レベルセット法 / バセット履歴力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H29年度は主に、(i)移動床流れのベースを捉えるための、巨視的土砂輸送モデルに基づく非定常3次元乱流シミュレータの開発、(ii)開水路流れの水面変形・変動をより精度良く捉えるための、高精度レベルセット法の実装と基本精度検証、(iii)浮遊砂の高精度予測を実現する上で有力な手法である、いわゆるMaxey-Riley方程式（質点近似に基づく微小粒子の個別追跡）に含まれるバセット履歴力の高効率・高精度計算法の実装と基本精度検証、を行った。(i)については、埋め込み境界法の導入によってデカルト格子上で複雑境界形状を表現可能な乱流シミュレータを新たに開発した。精度検証として河床波上を過ぎる開水路乱流の3次元数値シミュレーションを行い、信頼性の高い水理実験結果を、平均流速だけでなく乱れ変動レベルにおいても極めて良好に再現できることを確認した。(ii)については、従来のレベルセット法と比較して質量保存性・界面の細部形状の捕捉能力ともに優れた手法を実装し、予定通りの性能が得られることを確認した。(iii)についても、演算回数・記憶容量の両面で高い負荷を要し、そのために既往の研究の大半で無視されてきたバセット履歴力を、低コストかつ高精度に計算可能な手法を実装し、その基本性能評価が順調に進展している。従来、移動床流れの数値予測では河床や水面の形状に合わせた移動境界適合格子が主に利用されてきたものの、乱流の3次元非定常数値解析への適用は多大な計算負荷を伴う。(i)と(ii)の成果を合わせることで、直交直線格子上で時々刻々と変形する移動床・自由表面形状を表現することが可能となり、移動床流れ解析の計算効率を大きく改善することが可能となる。
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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
(i)非定常3次元乱流シミュレータの開発については、精度検証の結果、想定以上に良好な結果が得られた。通常、壁乱流の数値シミュレーションでは壁近傍に計算格子点が密に配置されるのに対して、本研究では全ての方向に等間隔な立方体計算セルによっても実験データと非常に良く一致する結果が得られた。これは直交直線格子上で移動床流れを扱う本研究にとって非常に重要な知見である。他方で巨視的土砂輸送モデルの導入作業の完了には至っておらず、この点については今後一層の注力が必要である。(ii)高精度レベルセット法、および(iii)高精度・高効率なバセット履歴力計算法、の両者の実装と基本性能評価についても、概ね予定通りに進展した。特に(iii)は、これまでほとんど知見が得られていない、移動河床問題におけるバセット履歴力の影響の理解について、大きな進展をもたらすことが期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
(i)非定常3次元乱流シミュレータの開発については、巨視的流砂モデルを導入し、河床波の生成や消滅を伴う信頼性の高い実験観測結果を対象として、移動床シミュレータとしての性能評価を行う必要がある。(ii)レベルセット法の高精度化については、レベルセット関数の再初期化機能を追加すること、および、流体ソルバーと組み合わせて、流体場も未知な問題に対して基本性能評価を行うことが当面の課題である。(iii)バセット履歴力の高精度・高効率評価法については、適用対象を3次元乱流場に拡張し、バセット履歴力の役割理解を試みる。加えて(iv)現在保持している粒子混相流の微視的数値解析技術の、3次元化および粒子-粒子間相互作用の高精度化を進め、粒子混入による乱流と土砂輸送特性の変調現象の基本特性を明らかにし、既存の巨視的モデルの性能評価や改良に供する知見の獲得を試みる。
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| Causes of Carryover |
予定外の共同研究費を獲得したため、学会参加に関わる費用（旅費・参加登録費）、ソフトウェアの保守契約費用、計算機使用料等の一部の支出先が本科研費補助金の用途と被った結果、剰余が生じた。予算の制約のために当初の研究計画には含められなかった、数値計算プログラムの高度化や、より高精度・大規模な計算機使用といった使途を予定している。
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