2017 Fiscal Year Research-status Report
Theoretical elucidation for spatiotemporal structures of turbulent particle transports and landform patterns in solid-gas multiphase flow
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17K14353
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
新屋 啓文 新潟大学, 研究推進機構, 特任助教 (80794982)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 固気混相流 / 飛砂 / 飛雪 / 地形形成 / Large-Eddy Simulation |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，固気混相流において複雑な時空間構造を示す飛砂・飛雪現象と砂床・雪面上に周期的または典型的な構造を形成する地形現象に対し，物理学に基づく計算手法の導入および数理科学に基づく理論解析手法の適用を行うことで，風による粒子輸送の平衡・非平衡特性と地形のパターン形成を関連付け両者の普遍的法則及び機構の解明を３年計画で開始した．
初年度では，地形形成の要因である地表面上の物質輸送として，砂嵐や吹雪に代表される固体粒子の乱流輸送が示す時空間構造を解明するため，Large-Eddy Simulation coupled Lagrangian Snow Transport model (LLASTモデル)と名付けた新たな固体粒子の乱流輸送モデルを構築した．LLASTモデルにおける計算過程は，大気中と地表面の二つに区分されている．大気中では，Large-Eddy Simulation (LES)による乱流計算とニュートンの運動方程式に基づく粒子軌道計算が行われる．一方で，地表面では，流体のせん断応力および粒子衝突の両者に伴う堆積粒子の取り込みが考慮されている．
構築したLLASTモデルを単純な条件（均一粒径，平坦な地表面，一方向弱風）下でシミュレーションすることで，粒子集団が流れ方向に伸びた空間的不均一な筋状構造が形成された．さらに，本構造の時空間変動を定量的に捉えるため，粒子輸送速度（単位時間・単位幅当たりに粒子が通過する総質量）を計算することで，10秒orderの持続性を有する輸送の間欠性が確認された．これら計算結果は砂漠や雪原で観察される典型的な粒子輸送構造と類似しており，LLASTモデルが固体粒子の乱流輸送の本質を捉えることに成功したと言える．
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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
研究実施計画における初年度の目標は，地形の形成過程を解明する上で重要な役割を担う固体粒子の乱流輸送のモデル構築であった．そのためには，複雑な乱流場を表現する気流計算と地表面での粒子衝突過程を取り入れた粒子計算の結合が必要不可欠であった．数値流体力学を専門とする大風翼氏（東京工業大学 准教授）の協力の下，乱流の数値シミュレーション手法の一種であるLESと新屋が構築を進めてきた粒子軌道計算の連成（LLASTモデル）に至った．さらに，LLASTモデルは，野外で観察されるような典型的な粒子の輸送形態の再現に成功した．
以上を踏まえて，初年度の研究実績は，当初の計画通り順調に進展したと判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度では，固体粒子の乱流輸送と地形パターンのOne Way Couplingを行うことで，輸送-地形相互作用系に対する新たな理論模型の土台を構築する．
具体的には，初年度で構築したLLASTモデルの数値シミュレーションを平坦な地表面だけでなく傾斜面といった条件で行うことで，地形形状が輸送形態に及ぼす効果を定量的に精査する．例として，粒子の跳躍距離や高度，輸送量などの傾斜角依存性を明らかにし，既存の風洞実験結果と比較を行う．
一方で，地表面の高度変化に起因する侵食・堆積過程は，LLASTモデルにおいて流体のせん断応力と粒子衝突に伴う地表面での計算で表現されている．そこで，粒子輸送が駆動力となり発展する地形の形状変化モデルを新たに構築し，平坦な地表面形状から起伏に富んだ地形へ達するまでの時空間構造を解き明かす．
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| Causes of Carryover |
今年度は，２０１８年２月１２日まで国際共同研究加速基金（代表：桂木洋光 准教授，名古屋大学大学院環境学研究科）によるプロジェクト雇用であった．そのため，プロジェクト業務と本課題のエフォート管理を行い，本課題のエフォートを５％とし研究を実施してきた．特に，出張期間や回数などを抑えていたため，次年度使用額が生じてしまった．
次年度使用計画として，数値計算・解析の環境を整備するため，高性能のワークステーションを購入する．また，国内学会や国際会議にて精力的に成果発表を行うとともに，研究協力者との打ち合わせを計画している．
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Research Products
(11 results)
