| 研究課題/領域番号 |
22H00248
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分25:社会システム工学、安全工学、防災工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
丸山 敬 京都大学, 防災研究所, 名誉教授 (00190570)
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| 研究分担者 |
竹見 哲也 京都大学, 防災研究所, 教授 (10314361)
西嶋 一欽 京都大学, 防災研究所, 准教授 (80721969)
内田 孝紀 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (90325481)
井口 正人 京都大学, 防災研究所, 教授 (60144391)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
40,950千円 (直接経費: 31,500千円、間接経費: 9,450千円)
2024年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2023年度: 30,810千円 (直接経費: 23,700千円、間接経費: 7,110千円)
2022年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
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| キーワード | 火山噴出物 / 飛散・拡散挙動 / 解析手法の開発 / 火山災害対応 / 飛散 / 拡散 / 数値解析 / 火山噴出 / 火山災害 / 噴石 / 火山灰 / 飛散・拡散 / 火山噴火 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、火山学・気象学・流体力学の科学的見地に立脚し、火山噴出物の飛散・拡散運動と大気運動を統合的に解析する、“新たな”火山噴出物の飛散・拡散挙動に関する解析手法を開発し、火山噴出物の飛散・拡散メカニズムを解明する。さらに、桜島の噴火を例として実事例解析を行い、噴石や火山灰の飛散範囲、火山ガスの濃度分布の予測・観測値との比較を行ってハザードマップ等の作成に活用し、噴火を間近に持つ周辺自治体と協力・連携して地域防災計画、広域避難計画の策定等に実装し、火山災害の防災・減災対応策の実効性向上に貢献する活用方法を探るものである。
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| 研究実績の概要 |
火山噴出物の運動と大気運動を統合的に解析する手法の開発を、”噴石・火山灰の飛散”、”気流場の解析”、”火山ガスの噴出・拡散”について以下のように行った。
・噴石・火山灰の飛散解析については、固体の火山噴出物の飛散解析に必要となる空力特性を、幾つかの火山で噴石のサンプルを採集し、噴石の形状を読み取り、その特徴を抽出した。また、”大きな噴石”から”小さな噴石”、火山灰について、形状、粒径、密度、速度等に対する空力特性の変化を考慮した飛散粒子として気流計算に組み込む物理モデルを作成した。熱伝達特性に関しては、炉で加熱されたレキを風洞内の気流中に晒し、サーモグラフにより、表面温度の変化を測定した後、保温水槽を用いて残留熱量を測定する方法を考案し、レキと気流場の熱伝達率を明らかにする実験方法を開発した。
・気流場の解析については、噴火時の火山周囲の気流性状を、広域の気象場から火口付近の詳細な乱流場までを接続しながら解析するために、広域の気象場は気象予報に用いられるメソスケールモデルを用いた気象計算ソフトWRFにより求めた。非定常な乱流場の計算を行うことができるラージエディシミュレーションに、火口付近の詳細な気流場は広域の気象場を境界条件として取り込むために、地形の凹凸、地表面の植物や建物など気流を乱す粗度の影響を取り込むキャノピーモデルを組み込んだ。
・火山ガスの噴出・拡散に関しては、火山ガスのような高温熱流場の移流・拡散を精度よく求めるために、サブグリッドスケールの乱れのエネルギーを用いる一方程式系の乱流モデルを採用することとし、火山レキや火山灰などの固体粒子を含む場合の定式化を行った。さらに、過去の研究成果を参考にするだけでなく、モデルや計算手法の適用性や精度検証を行うためのデータを取得するために、新たに実験装置を開発・作成した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
火山噴出物の運動と大気運動を統合的に解析する手法の開発を令和５年度の研究実施計画に従い、以下のように行った。
高温で周囲の大気と組成・物性の異なる火山ガスのような高温流れ場をより精度よく解析するために、噴石・火山灰の飛散解析については、噴石のサンプルを採集し、噴石の形状を読み取り、その特徴を抽出して、”大きな噴石”から”小さな噴石”、火山灰について、形状、粒径、密度、速度等に対する空力特性の変化を考慮した飛散粒子として気流計算に組み込む物理モデルを作成した。気流場の解析については、広域の気象場と、火口付近の詳細な乱流場までを接続しながら解析する手法を開発した。さらに、開発したモデルや計算手法の適用性、および、精度検証を行うためのデータ取得のための実験装置の開発・作成を以下の通り行った。
・高温の火山レキが気流中を飛散する際の熱伝達率を明らかにするために、炉で加熱されたレキを風洞内の気流中に晒し、サーモグラフにより、表面温度の変化を測定した後、保温水槽を用いて残留熱量を測定する方法を考案し、レキと気流場の熱伝達率を明らかにする実験方法を開発した。
・火山噴火時の高温の熱気流解析のように、密度変化の大きな流れ場の再現実験を火山模型を用いて行うための、水槽を用いた実験装置を開発・作成した。塩水やアルコールなど、水と密度の異なる液体を用いることによって、火山模型周りに噴火時に相当する密度流場を再現し、微細なプラスチック粉末をトレーサーとしてレーザー光で流れ場を可視化し、PIVシステムにより流速を測定できるようにした。そして、所定の条件下で流速が測定できることを確認した。
さらに、火山噴火時に飛来する礫による被害予測のために、レキによる衝撃破壊実験を実施し、和瓦、スレート瓦、薄板鋼板、ガラスなど種々の建物外装材の耐衝撃性能に関するデータを蓄積し、得られた成果は学術雑誌に発表した。
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| 今後の研究の推進方策 |
火山噴出物の解析手法の開発を、”気流場の解析”については、広域の気象場を火口付近の詳細な乱流場の解析に接続する方法を検討する。すなわち、メソスケールモデルを用いて求めた広域の気象場の時空間解像度は、火口付近の詳細な乱流場よりも大きなスケールをもつので、地面付近の細かな時空間スケールをもつ乱れを生成して、それを適当に接続するする方法を検討する。”噴石・火山灰の飛散”解析に関しては、令和５年度に開発した形状、粒径、密度、速度等に対する空力特性の変化、熱伝達特性の変化など必要となる固体噴出物の飛散特性を取り込んだ飛散モデルを気流解析プログラムに組み込む。”火山ガスの噴出・拡散”については、昨年度に開発した、高温で周囲の大気と組成・物性の異なる火山ガスの影響をより正確に取り込むことのできる計算手法を気流解析プログラムに組み込む。
また、開発した解析手法の精度検証を観測や実験結果との比較により行う。“観測データの収集”に関しては、引き続きこれまでに観測・収集された噴火時の噴石の飛散性状、火山灰や火山ガスの拡散性状の観測データを検証するとともに、京都大学防災研究所付属の桜島火山観測所において桜島の噴火の観測を引き続き行い精度検証に必要なデータを収集する。“実験データの収集”は、過去の研究成果を参考にするとともに、風洞実験、数値流体実験などによってデータを収集する。噴石と気流との熱のやり取りを解析するために必要となる熱伝達特性は令和５年度に引き続き風洞実験により求める。火山灰や火山ガスの噴出・拡散に関しては、令和５年度に作成した水槽を用いた密度噴流実験により、精度検証用のデータを収集する。
さらに、実事例解析を行って、噴石や火山灰の飛散範囲、火山ガスの濃度分布の予測・観測値との比較を行いハザードマップ等の作成、地域防災計画、広域避難計画の策定等への実装に向けた検討を行う。
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