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LESのための粗面せん断力モデルの開発に向けて;壁乱流の実験的および数値的な研究

研究課題

研究課題/領域番号 15560448
研究種目

基盤研究(C)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 水工水理学
研究機関立命館大学

研究代表者

WELLS John C.  立命館大学, 理工学部, 助教授 (60301644)

研究分担者 江頭 進治  立命館大学, 理工学部, 教授 (00027286)
杉山 進  立命館大学, 理工学部, 教授 (20278493)
大上 芳文  立命館大学, 理工学部, 教授 (30203722)
梶島 岳夫  大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30185772)
竹原 幸生  近畿大学, 理工学部, 助教授 (50216933)
江頭 剛治 (江藤 剛治)  近畿大学, 理工学部, 教授 (20088412)
研究期間 (年度) 2003 – 2005
研究課題ステータス 完了 (2005年度)
配分額 *注記
3,300千円 (直接経費: 3,300千円)
2005年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円)
2004年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2003年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワードTurbulence / Microsensor / Wall Stress / Particle Image Velocimetry / Bedload / Simulation / turbulence / L.E.S. / wall stress / P.I.V. / Fictitious Domain simulation / curved wall / pressure drag / Velocity / microsensor / two-phase flow / numerical simulation / Large Eddy Simulation / Measurement / Inlet conditions / bedload / debris flow / flow resistance
研究概要

壁乱流のシミュレーション技術を向上させるために、本研究では新しい乱流測定技術を開発すると共に、:LES(:Large Eddy Simulation)における壁層モデル,および河床等における高濃度固液二相乱流の解析のための想定領域法を確立した。
測定技術に関しては、開水路乱流実験計測用のステレオPIV(Particle Image Velocimetry)技術を発展させた.まず,ステレオPIV法におけるカメラの理論的な配置法やカメラのキャリブレーション法に関する新しい知見を得た。また、今まで困難であった壁近傍流れの2次元PIVに対して,壁面におけるせん断率を直接に測定する新しい画像処理法を提案し、正弦曲線床の場合に実画像と精度よく対応することを確認した。さらにこの画像処理法をステレオPIVに適用した。
河床近傍の固液二相乱流の現象を解析するために、梶島らの「想定領域法」を発展させ、粒子濃度の高い流れの数値解析を次の通りに行い,満足な結果が得られた。まず粒子同士の接触過程を検証するために、回転円柱内のガラスビーズの過渡的な斜面崩壊のシミュレーションを行った。崩壊前の最大斜面角度および崩壊後の最小角度は、±1.5度の精度で実験結果と合っている。また、自由表面流れ,および掃流砂層を形成することのできる回転ドラムを作成し、その実験結果は2次元数値解析の結果と全体的に十分に一致した。これらの検証を行った後、球形粒子1500個を含む2重周期「ミニマルチャネル」領域内における移動床上の掃流砂のシミュレーションを実行し、粒子レイノルズ数が約15となるような平衡状態が確認できた。無時限掃流力0.06〜1.1の広い範囲において、Meyer-Peter Muellerの経験則によって予測される粒子フラックスの計算結果と、誤差20%以内で一致した。代表者の知る限りでは、掃流砂のDNSの計算が実現されたのは,本研究が初めてである。
粗面を対象としたLarge Eddy Simulation(LES)については、凸凹に作用する圧力抵抗のモデル化が重要であるが,未解決の課題である。そのために、任意の物体に働く圧力抵抗と表面における渦度発生過程を解析し、それらと流れの中の渦度の移流との関係を明らかにした。この関係式が上記の想定領域法やLES法のアルゴリズム開発の役に立つであろう。

報告書

(4件)
  • 2005 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 2004 実績報告書
  • 2003 実績報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2007 2006 2005 2004 その他

すべて 雑誌論文 (23件) 文献書誌 (6件)

  • [雑誌論文] Development of Fictitious-Domain Simulations of Erodible Particle Beds in Liquid.2007

    • 著者名/発表者名
      H.V.Truong, J.C.Wells, A.T.V.Nguyen
    • 雑誌名

      River, Coastal, and Estuarine Morphodynamics (RCEM) (accepted for)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Fictitious domain simulations of bedload transport, free-surface flow in a rotating tumbler2007

    • 著者名/発表者名
      Hung V.Truong, Anh Nguyen, Hiroyuki Sugimoto, John C.Wells
    • 雑誌名

      Annual Journal of Hydraulic Engineering, JSCE 51

      ページ: 157-162

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Subgrid Lubrication Force Correction for Fictitious-Domain Simulation of Solid-Liquid Flow; a Sphere falling onto a Plane Surface.2007

    • 著者名/発表者名
      Y Q.Nguyen, Hung V.Truong, John C.Wells
    • 雑誌名

      Annual Journal of Hydraulic Engineering, JSCE 51

      ページ: 151-156

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Nguyen Development of Fictitious-Domain Simulations of Erodible Particle Beds in Liquid.2007

    • 著者名/発表者名
      H.V.Truong, J.C.Wells, A.T.V.
    • 雑誌名

      accepted for River, Coastal, and Estuarine Morphodynamics (RCEM), Twente, Netherlands

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Wells Fictitious domain simulations of bedload transport, free-surface flow in a rotating tumbler2007

    • 著者名/発表者名
      Hung V.Truong, Anh Nguyen, Hiroyuki Sugimoto, John C.
    • 雑誌名

      JSCE Annual J. Hydraulic Engineering. v. 51

      ページ: 157-162

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Subgrid Lubrication Force Correction for Fictitious-Domain Simulation of Solid-Liquid Flow; a Sphere falling onto a Plane Surface.2007

    • 著者名/発表者名
      Y Q.Nguyen, John Wells, Hung V.Truong, Y Q.Nguyen, John Wells, Hung V.Truong
    • 雑誌名

      JSCE Annual J. Hydraulic Engineering. v. 51

      ページ: 151-156

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Development of PIV/Interface Gradiometry to Handle Low Tracer Density and Curved Walls.2006

    • 著者名/発表者名
      C.V.Nguyen, J.Wells
    • 雑誌名

      Proceedings ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting (CD-ROM)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Direct measurement of fluid velocity gradients at a wall by PIV image processing, with stereo reconstruction2006

    • 著者名/発表者名
      Chuong V.Nguyen, John C.Wells
    • 雑誌名

      Journal of Visualization 9(2)

      ページ: 199-208

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Wells Development of PIV/Interface Gradiometry to Handle Low Tracer Density and Curved Walls.2006

    • 著者名/発表者名
      C.V.Nguyen, J.
    • 雑誌名

      FEDSM2006-98568 Proceedings ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting, Miami, USA

      ページ: 17-20

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Wells "Direct measurement of fluid velocity gradients at a wall by PIV image processing, with stereo reconstruction."2006

    • 著者名/発表者名
      Chuong V.Nguyen, John C.
    • 雑誌名

      Journal of Visualization v. 9 no. 2

      ページ: 199-208

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Direct measurement of fluid velocity gradients at a wall by PIV image processing, with stereo reconstruction2006

    • 著者名/発表者名
      C.V.Nguyen, J.C.Wells
    • 雑誌名

      Journal of Visualization 9(2)(In print)

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [雑誌論文] An experimental check on particle dynamics simulations of erodible particle beds ; the rotating tumbler2006

    • 著者名/発表者名
      H.V.Truong, J.C.Wells, A.Nguyen
    • 雑誌名

      水工学論文集 50(CD-ROM)

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [雑誌論文] "Virtual Fluid" Analysis of Forces at the Surfaces of Rigid Bodies in Incompressible Flow2006

    • 著者名/発表者名
      J.C.Wells
    • 雑誌名

      Memoirs of the Institute of Science and Engineering, Ritsumeikan University 64(In print)

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [雑誌論文] Development of PIV/Interface Gradiometry to handle low tracer density and curved walls.2006

    • 著者名/発表者名
      C.V.Nguyen, J.C.Wells
    • 雑誌名

      Proc.2006 ASME Joint U.S.-European Fluids Engineering Summer Meeting (FEDSM2006) (CD-ROM)

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [雑誌論文] "Virtual Fluid" Analysis of Forces at the Surfaces of Rigid Bodies in Incompressible Flow.2005

    • 著者名/発表者名
      J.C.Wells
    • 雑誌名

      Memoirs of the Institute of Science and Enginooring, Ritsumeilkan University No. 64

      ページ: 123-127

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] A hybrid one-equation LES-RANS for near-wall modeling. T.X.Dinh, Y.Ogami, J.Wells2005

    • 著者名/発表者名
      T.X.Dinh, Y.Ogami, J.Wells
    • 雑誌名

      Proc.Fourth International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena(TSFP-4) (CD-ROM)

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [雑誌論文] 土石流の流れに及ぼす砂粒子径の影響2005

    • 著者名/発表者名
      伊藤隆弘, 江頭進治
    • 雑誌名

      土木学会 水工学論文集 49

      ページ: 895-900

    • NAID

      130003842242

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] A hybrid LES-RANS simulation of backward step flow2005

    • 著者名/発表者名
      T.X.Dinh, Y.Ogami, J.Wells
    • 雑誌名

      Proc.ASME Fluids Engineering Summer Conference

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Direct measurement of surface-normal velocity gradient at a free surface by deforming PIV templates2005

    • 著者名/発表者名
      N.M.T.Phan, C.V.Nguyen, J.Wells
    • 雑誌名

      Proc.6^<th> World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Dynamics, and Thermodynamics

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Fictitious domain computations of particles in liquid flow at moderate particle Reynolds number.2005

    • 著者名/発表者名
      J.Wells, H.Truong, G.Tryggvason
    • 雑誌名

      Proc.ASME Fluids Engineering Summer Conference

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Virtual Fluid" Analysis of Forces at the Surfaces of Rigid Bodies in Incompressible Flow.2004

    • 著者名/発表者名
      J.C.Wells
    • 雑誌名

      Memoirs of the Institute of Science and Engineering, Ritsumeikan University no. 64

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2005 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Critical conditions of bed sediment entrainment due to debris flow2004

    • 著者名/発表者名
      M.Papa, S.Eagshira, T.Itoh
    • 雑誌名

      Natural Hazards and Earth System Science, E.G.U. 4

      ページ: 913-918

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] A New Design of a 6-DOF MEMS-based Sensor for Measuring Hydrodynamic Loads Acting on a Hemisphere2004

    • 著者名/発表者名
      Y Nguyen, D.Dao, J.Wells, M.Takahashi, T.Toriyama, S.Sugiyama
    • 雑誌名

      Prof.8^<th> International Conference on Mechatronics Technology

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [文献書誌] Zhixian Cao, Shinji Egashira, Paul A.Carling: "Role of suspended-sediment particle size in modifying velocity profiles in open channel flows"Water Resources Research. 39(2). 1-15 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] J.C.Wells, C.V.Nguyen: "Investigation of near-wall coherence structures by stereo particle image velocimetry"Proceedings, 4^<th> ASME-JSME Joint Fluids Engineering Conference. (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] J.C.Wells, H.Sugimoto, C.V.Nguyen, K.Kishida: "Camera calibration for stereo P.I.V. with a front-rear camera arrangement. Application to open-channel flow"Annual Journal of Hydraulic Engineering, JSCE. 147. (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] T.Itoh, K.Miyamoto, S.Egashira: "Numerical simulation of debris flow over erodible bed"Proceedings of the 3rd Int.Conf.on Debris-Flow Hazards Mitigation, American Soc.Civil Eng.. 457-468 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] D.V.Dao, T.A.Nguyen, T.Toriyama, J.C.Wells, S.Sugiyama: "A MEMS-based Microsensor to Measure All Six Components of Force and Moment on a Near-Wall Particle in Turbulent Flow"Proceeding of the 12^<th> IEEE International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems. (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] A.T.Nguyen, D.V.Dao, T.Toriyama, J.C.Wells, S.Sugiyama: "Measurement of Forces and Moments on a Near-Wall Particle in Turbulent Water Flow by Using a 6-DOF Micro Sensor"Proceedings, Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology. (2004)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書

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公開日: 2003-04-01   更新日: 2021-04-07  

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