2020 Fiscal Year Research-status Report
トンネル内での爆薬爆発時にトンネル壁面が吸収する爆発エネルギーの定量的な理解
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18K04643
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| Research Institution | National Institute of Technology, Toyama College |
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Principal Investigator |
保前 友高 富山高等専門学校, その他部局等, 教授 (30470032)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉山 勇太 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (30711949)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 爆薬 / 爆風 / トンネル内爆発 / トンネル壁面材料 / トンネル壁面構造 / 被害低減 / 小スケール実験 / 数値解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．研究の目的：トンネル内で爆薬が爆発した際の壁面による爆発エネルギー吸収メカニズムを解明し，壁面の表面形状や材料と吸収量の関係の定量的な理解を行う。地下通路やトンネル内で爆発した際に発生する爆風とトンネル壁面の相互作用により，壁面が爆発のエネルギーの一部を吸収する。爆発被害低減化の観点から，壁面のエネルギー吸収のメカニズム解明や定量的な理解は重要である。この問題を解明するため，独自に開発した1g程度の爆薬を使用する室内爆発実験法により，トンネル内爆発の縮小モデル実験を行う。壁面の表面形状や材料の種類を変化させ，トンネル内外の爆風（衝撃波）の減衰過程を詳細に評価する。独自に開発した数値解析コードを用いて得られた実験データを解釈することにより，壁面のエネルギー吸収のメカニズムを解明し定量的に理解する。
２．本年度の成果：①トンネル内部壁材料の要素実験：本年度はコロナ禍により移動が制限されたことから，研究代表者は，実験設備が整った産業技術総合研究所に出張して実験を行うことができなかった。このため，過去2年の成果のとりまとめを行った。トンネルを模擬した管の床面に砂を模擬したガラスビーズを置いた場合，および管の内壁材料として多孔質金属を用いた場合の爆風低減効果の粒径・孔径への依存性，設置場所への依存性について室内爆発実験により調べた成果を論文2報で報告した。
②独自開発の数値解析コード：粒子や多孔質体を考慮した数値解析手法を導入し，爆風と干渉した際の熱伝達と抗力による爆風低減機構を評価した。トンネル内爆発の縮小モデル実験を対象とした数値解析を行った。管内において衝撃波が粒子層の上を伝播する場合，空気/粒子間の熱伝達によるエネルギー吸収量に相当する爆風低減効果が現れた。粒子を堆積することで空気と接する粒子界面の面積を大きくすることが重要だと考えられる。以上について，論文を2報発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究は，過去2カ年は，研究実施計画に従い，おおむね順調に進展していた。トンネル内部壁材料の要素実験については，過去2カ年で砂を模擬したガラスビーズ，および多孔質金属による爆風低減効果の詳細な評価を行い，詳細な知見を得られたため，ほぼ所期の目標を達した。今年度は，これらの成果をまとめて論文発表を行った。トンネル内部壁の表面形状の要素実験については，昨年度，トンネルを模擬した管の内壁に周期的な凸部を設けた爆風圧計測実験を行い，凸部の数，および形状（凸部の高さ）への依存性について調べたところ，予想に反して，爆風低減効果は，凸部の数には強く依存しないことが明らかになった。また，凸部を角管の上下に設置すると，大きな爆風低減効果が得られることが明らかになった。今年度は，これらの現象についてさらに詳しく調べたうえで，数値解析の結果も踏まえた「縮小モデルを用いた最適化実験」を実施する予定であったが，コロナ禍による移動制限により実施できなかった。
一方，数値解析に関しては，これまでトンネル内での爆発解析への妥当性が確認されているコードの本研究への適用方法とその妥当性を検証した。その上で，トンネルを模擬した管の内壁に周期的な凸部を設けた爆風圧計測実験を再現した数値解析を進めている。実験と同等の爆風圧分布が得られつつあるが，管形状を決定する種々のパラメータに対する爆風圧低減効果の応答性の理解に至っていない。現在，管内現象の規格化やパラメータスタディを進めており，管形状と爆風低減効果の関係の理解，爆風低減に寄与する物理量の解明に着手している。
以上のことから，本研究課題は（３）やや遅れていると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
トンネル内部壁の表面形状の要素実験について，爆風圧低減化を支配する主要な形状パラメータをさらに詳細に検討する。昨年度，トンネルを模擬した管の内壁に周期的な凸部を設けた爆風圧計測実験を行い，凸部の数，および形状への依存性について調べたところ，予想に反して，爆風低減効果は，凸部の数には強く依存しないことが明らかになった。一方で，凸部を角管の上下に設置すると，大きな爆風低減効果が得られることが明らかになった。これらの現象のメカニズムは十分には理解できていないことから，はじめにこの解明に取り組む。また，凸部の形状，管内の凸部の設置場所などへの依存性も明らかではない。低減化に最も大きく寄与するパラメータを見出すことは，この要素実験の不可欠な事項であり，これらを明らかにする。その上で，トンネル内部壁の材料の要素実験の成果，数値解析の成果を含めて，これまでの知見を総合し，縮小モデルを用いた最適化実験を実施する。数値解析については，上述のように管形状と爆風低減効果の関係の理解，爆風低減に寄与する物理量の解明や，本研究結果を誰でも利用しやすいように，管形状パラメータを入力すると爆風低減効果を評価できるような式の提案を目指す。
また，次年度は最終年度となるため，成果の公表についても，引き続き重点的に取り組む。
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| Causes of Carryover |
本年度は，コロナウイルスの蔓延による緊急事態宣言等のために移動が制限されたことから，研究代表者が産業技術総合研究所に出張して実験を行うことができなかった。また，研究成果を発表するため，国内開催の学会へ出席する予定であったが，中止になったり，オンライン開催になったりした。このため，旅費の金額が小さくなった。物品費については，主に実験で使用する消耗品を購入する計画であったが，実験を行うことができなかったため，金額が小さくなった。以上のことから，次年度使用額が生じた。
次年度は，コロナ禍の状況を勘案しながら，早めに実験計画を策定するとともに，国内開催の学会での成果発表を計画し，執行する。
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