2019 Fiscal Year Research-status Report
Dynamic mechanism of turbidity current for long-distance sediment transport through integration of numerical science and high resolution measurement technique
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19KK0110
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
西浦 泰介 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(数理科学・先端技術研究開発センター), 主任技術研究員 (60509719)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野村 瞬 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(数理科学・先端技術研究開発センター), 技術研究員 (20705701)
古市 幹人 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(数理科学・先端技術研究開発センター), グループリーダー (50415981)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2023-03-31
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| Keywords | 海底乱泥流 / 大規模数値計算 / 超音波計測 / 海底地盤 / 粒子流体シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
海底で大規模に進行する土砂流れ（乱泥流）の被害予測・リスク管理に向け，スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）の水工学研究室と共同研究を進めている．地震や季節的な水位変動に起因する「海底斜面の不安定化」により頻発する乱泥流は，海底構造物を破壊しながら数千km以上流動する．しかしながら，その発生場所や規模の予測は困難であり，海洋における大規模なインフラ整備や海底資源開発の妨げとなっており，現象を把握し，被害の定量化や適切な対策の立案を行うことが重要となっている．
本研究では，共同研究の相手方であるEPFL研究室が有する高精度超音波計測技術と初期・境界条件が管理可能な水槽実験設備を利用し，①粒子懸濁液の速度場，濃度場，粒度分布を計測する手法を確立を目指し，②乱泥流の詳細な運動メカニズムを明らかにする．実験結果をもとに，研究代表者らが有する③粒子-流体相互作用を考慮したシミュレーション技術の高度化を図り，④乱泥流の長距離土砂輸送メカニズムについて論理性・普遍性・客観性を有する包括的な説明手法を提案することを目的としている．
本年度は，乱泥流を模擬した粒子懸濁液の連続注入による水槽実験の結果整理を進め，乱泥流が底面から受けるせん断抵抗力と斜面方向の重力が釣合うことで内部の構造が保存したまま下方への流動を生じさせていることを明らかになった．この事実は，乱泥流が長期運動するメカニズムに深く関係すると考えられるため，今後，実験や解析を通して分析を進める予定になっている．また，独自開発を進めている解析コードをもとにEPFLで実施された津波を模擬した水槽実験の再現を試みた．その結果，実験室で生成された流れの波高分布や流れ内部の速度構造などを適切に表現できることが明らかになり，検討結果は次年度以降に実施する粒子-流体の相互作用を取り入れた連成解析の足掛かりとすることができた．
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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
長さ6.0m，高さ1.0m，幅0.3mの実験水槽で生成された粒子懸濁液による模擬乱泥流の速度構造が整理できた．実験結果は乱泥流が斜面方向に力のつり合いを保ち，同質の形状で領域底面に沿って流動することを明らかにした．当該実験事実の更なる理解により，乱泥流の長期運動メカニズムの要因を整理できる可能性が示唆されることとなった．
また，独自開発を進める数理プログラムのパフォーマンス検証のため，EPFLで実施された長期継続流の再現解析を実施した．解析条件や計算プロセスを適切にチューニングすることで，生成された流れを定量的に再現することが可能であり，流れの内部構造の議論が可能になることが明らかになった．
実験結果の分析・解析事実の蓄積によって得られた今年度の成果は，次年度以降に進める乱泥流の運動性の要因分析，統合的理解に大いに役立つものであり，今後も精力的に研究を進める予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
実験水槽を用いて，懸濁液の①初期比重，②流入量，③粒子物性（粒度/吸着性）等によって変化する乱泥流の流況を，流れ方向に設置する計測装置によって観測する手法を開発する．流れを観察するための実験設備を試作し，粒子と流体によって引き起こされる諸現象を整理し，壁近傍や流れの上層部における流速・濃度分布や粒子-流体相互作用を明らかにする．あわせて超音波エコー等の情報から領域の濃度分布を定性的に表現することが可能か検討を進め，速度・濃度・粒子径のプロファイリング技術を確立する．計測結果をもとに粒子-流体連成解析コードの整備を進め，混相流中で生じる要素レベルの現象を明らかにする方法を模索する．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により予定していたEPFL（＠スイス ローザンヌ）における研究打ち合わせが実施できなかったため．
当初応募額からの減額により，予定していた超音波流速計測装置の購入を見送ることとし，代替案の模索を進めたため．
令和2年度以降にEPFLで実施する研究の打ち合わせ，滞在費用および，計測用水路の作成費用に充てる．
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