2014 Fiscal Year Annual Research Report
任意形状粒子を用いた混合粒径移動床数値実験水路による河床近傍の力学機構
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25630211
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| Research Institution | Chuo University |
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Principal Investigator |
福岡 捷二 中央大学, 公私立大学の部局等, 機構教授 (30016472)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
内田 龍彦 中央大学, 公私立大学の部局等, 機構准教授 (00379900)
長田 健吾 阿南工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (30439559) [Withdrawn]
福田 朝生 中央大学, 公私立大学の部局等, 機構助教 (00709694)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 石礫河川 / 数値移動床水路 / 河床変動 / 混合粒径 / 粒子形状 / 流体力 / 流砂量 / 可視化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
石礫河川の河床材料は，粒度分布が広く，粒子の形は様々である．しかし，激しい水流中の石礫の運動は，実験や現地観測では計測することが困難であり，粒度分布や粒子形状が，水と石礫の運動に及ぼす効果は十分理解されておらず，適切な石礫河川の河床変動解析法が構築されていないのが現状である．
本研究では，種々の形状の石礫と水の三次元運動を解析することが出来る数値移動床水路を開発し，水と石礫の運動やこれらに作用する力を数値実験から推定することを可能とした．この数値移動床水路で水の運動は，粒子部分を密度の異なる流体として評価し，オイラー的に非圧縮性流れとして解析される．種々の形状の粒子は，小球を連結したモデルとし，この粒子の運動を剛体の運動方程式を用いて解析する．個々の粒子とその周りの水の運動を詳細に解析する数値移動床水路は，計算負荷が非常に大きい．本研究ではMPIを用い分散メモリシステム上で並列計算が可能な解析法を構築した．
数値移動床水路を用いて，石礫粒子を用いた混合粒径の数値移動床実験を実施した．実験結果のアニメーションを作成することで，水と粒子群の三次元運動を視覚的に理解することを可能とした．実験結果の考察から，大きな粒子は，河床上部を直線的に移動するのに対し，小さな粒子は，河床底部を蛇行しながら移動しており，粒径毎に移動形態が異なることが明かとなった．また，移動と停止時の粒子の向きの考察から，粒子が移動する際は，長軸を横断方向に傾け，移動しやすい向きをとり，停止時は，長軸を流下方向に傾ける傾向があることが明かとなった．また，このような移動と停止における向きの違いは，大きな粒子ほど顕著に表れた．粒子の形と大きさ別に流砂量を計測した結果，大きな粒子ほど粒子形状の違いによる流砂量の差が大きくなった．これより，相対的に大きな粒子ほど，粒子運動に及ぼす粒子形状の効果が大きいことが明かとなった．
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