| 研究概要 |
本課題では,開水路流れの境界条件として底面状態あるいは側岸形状が変化する場合に,それらの影響が水面にどのような影響を与えるのかについて,実験および数値シミュレーションによる検討を行った.本課題の遂行において共通して用いた開発技術は,実験においては流れの可視化画像を活用したPIV(Particle lmage Velocimetry)および2台の高速ビデオを用いたステレオ計測法,数値シミュレーションにおいては水面変動を考慮して開発したLESプログラムである.
底面状態の変化が水面に及ぼす影響については,単純化された河床面として桟粗度を配置した流れ場を対象とし,桟粗度の間隔とフルード数の変化に応じて著しく水面変動が異なってくること,水面変動の発生には桟粗度間に発生する剥離渦の消長が大きく関与することを可視化実験によって明らかにした.水面変動が比較的小さな流れ場に対してはLESによる解析も行い,乱れ強度などの乱流統計量が良好に実験値と一致することを確認した.さらに,桟粗度要素によって発生する剥離渦が水面に向かって上昇し,それが水面に到達した場合に水表面に局所的な正の発散場を生じさせる三次元的な渦の様子を可視化し,桟粗度流れの三次元的な構造を示すことができた.
側岸形状が変化する開水路流れ場については,側壁の一方を凹部形状にしたサイドキャビティ流れについて検討を行った.凹部における水面変動は開発したステレオ計測手法によって詳細な二次元計測が可能となり,凹部のアスペクト比によってその変動パターンが大きく変化すること,変動モードはPOD解析によるモード分解により整理できることなどを明らかにした.実験条件に合わせたLESによる数値シミュレーションも行い,凹部内の水面変動の卓越周波数を再現できることを示すとともに,凹部領域への流体塊の流入・流出に伴う流れ場の三次元構造を明らかにした.
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