2019 Fiscal Year Research-status Report
MRIによる積雪内選択流の形成理論に基づく新しい浸透計算スキームの開発
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19K04960
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| Research Institution | Forest Research and Management Organization |
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Principal Investigator |
勝島 隆史 国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 主任研究員 等 (00611922)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安達 聖 国立研究開発法人防災科学技術研究所, 雪氷防災研究部門, 特別研究員 (80719146)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | MRI / 選択流 / フィンガー流 / 積雪モデル / 浸透計算 / Invasion percolation |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、融雪災害の発生メカニズムの解明と予測技術の高精度化のために、独自開発した最新のMRIによる非破壊測定技術を用いて積雪内部の選択的な水の流れ（選択流）の形成過程を解明することと、気象データから積雪の内部構造や積雪底面からの流出を数値再現する積雪モデルにおいて選択流の振る舞いを取り扱う新しい浸透計算スキームを開発することを目的としたものである。
当該年度は、自然積雪から採取した雪をX線μ-CTにより詳細に非破壊計測し、雪の間隙の3次元構造を解析する手法の実用化を図った。この手法の実用化により、これまで技術的に困難であった積雪内部の間隙スケールでの水の振る舞いを表現するモデルの開発の準備が整った。そこで、X線μ-CTを用いて得た詳細な間隙のデータを基礎として、①多孔質体中の流体が別の流体に置換する過程をモデル化したインベーションパーコレーションを拡張し、個々の間隙同士の3次元ネットワーク構造を陽に取り扱うことで、微視的な間隙構造から巨視的な選択流による浸透現象の計算を可能にする手法と、②巨視的なスケールでの水分特性曲線のモデルのパラメータを、微視的な間隙の解析データから直接求める手法の開発に取り組んだ。そして、新規開発したモデルが、実験により得られた選択流による浸透と雪の水分保持の実現象を適確に表すことができることを確認した。
また、数値計算手法の開発と同時並行で、MRIによる選択流の室内浸透実験を実施した。今年度は次年度以降のMRIによる浸透実験の本格運用の準備段階として、既往研究における実験で使用したMRIよりも広視野の撮像が可能な静磁場強度0.2TのMRIによる選択流の可視化の実現可能性を確認する予備実験を実施した。自然積雪を用いた浸透実験の結果、同MRIを用いて選択流や止水面の形成を明瞭に可視化することが可能なことを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究計画当初においては、微視的なスケールでの選択流の浸透現象の計算手法の開発を目標に研究を開始した。研究に取り組む中で、計画当初において予期していなかったが、X線μ-CTによる非破壊計測と3次元微細構造解析の2つの最先端技術の組み合わせによって、これまで不可能であった微視的な間隙解析を実現することに成功した。そして、新規開発したこれらの技術に基づいて、選択流による浸透と雪の水分保持を微視的なスケールで直接計算する手法の開発に成功した。
これらの手法は、これまで詳細が不明であった自然積雪内の選択流や止水面の形成メカニズムや、自然積雪が持つ水分保持能力を精緻に示すものであることから、積雪モデルで取り扱いが可能な巨視的なスケールの浸透や水分保持モデルの高精度化を果たすための革新的な技術であると考えられる。そのため本研究課題は、計画以上に進展していると考えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の成功のカギとなるのが、自然積雪内の選択流や止水面の形成と、水分保持能力の精緻なモデリングであると考えている。初年度において開発に成功した選択流による浸透と雪の水分保持の計算手法を様々な雪に適応し、その振る舞いを詳細に解析することで、自然積雪の浸透と水分保持特性を明らかにする研究を推進する。これにより微視的なスケールな水の振る舞いを明らかにすることによって、積雪モデルで取り扱いが可能な巨視的なスケールのモデルの高精度化に繋げる。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルスの感染拡大対策のため、今年度の2～3月の時期に予定した浸透実験の実施を中止とした。また、当初の経費の使用予定に挙げていた雪氷MRI用RFコイルや撮像シーケンスの作成について、静磁場強度0.2Tの雪氷用MRIを用いた浸透の予備実験の結果に基づいて作成の必要性や仕様を検討することを予定していたが、実験の中止によって検討を実施することができなかった。次年度においては、これらの作成の検討を引き続き実施するとともに、実験に使用する静磁場強度0.2Tの雪氷用MRIの制御コンソールのアッテネーターの設置、調整に経費を使用する。
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