自由水面を有する開水路乱流の高精度化乱流モデルの開発と浮遊砂混相流への応用

1993 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05240107
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 祢津 家久 京都大学, 工学部, 助教授 (30109029)
• 研究分担者: 細田 尚 京都大学, 工学部, 講師 (10165558) ; 冨永 晃宏 名古屋工業大学, 工学部, 助教授 (60135530) ; 武本 行正 四日市大学, 経済学部, 助教授 (80155051)
• キーワード: 乱流モデル / 数値計算 / 開水路乱流 / 水理計算 / 組織渦 / 自由水面条件

研究概要

本研究は、乱流モデルを水工学へと発展させ、自由水面を考慮した3次元流れ、また、任意な水面形や河床面に適合した計算格子発生法を開発して、河川・開水路の流れやそれに伴う土砂・物質輸送を高精度に予測できる数値計算手法を開発し、これを水工設計や河川工学に積極的に応用するものである。
研究代表者と分担者とが緊密に研究交流・打ち合わせを行い、当初の研究目標を得ることができた。主要な研究成果を分担者ごとに列挙すれば、以下のようである。
1 禰津家久:乱流モデルの第一人者であるイスラエルのNaot教授と共同研究研究を行い、自由水面の境界条件として組織渦の概念を導入した散逸モデルを提案し、最も複雑乱流である複断面開水路流れの3次元乱流構造を良好に計算することに成功した。また、植生がある流れも解明された。
2 武本行正:任意河床面をもつ開水路乱流の計算手法の開発が分担課題であり、一般化座標スタガード格子の改訂版を完成させ、京大大型計算機センターに登録して、学内外の研究者が利用できるように研究成果を公表した。
3 冨永晃宏:河床の粗度が急変する場合の数値計算を行い、禰津家久が実験的に発見したせん断応力のオーバーシュート特性を良好に再現することに成功した。また、水面が変動する複雑な数値計算の開発に見通しを立てた。
4 細田尚:河川の側岸に死水域を有する流れの非定常性を浅水流方程式を数値計算することによって、主流と死水域の混合層から発生する組織渦の成長過程をシミュレーションすることに成功した。
以上の研究成果4件とも、平成5年12月に開催された「第7回数値流体力学シンポジウム」ですでに発表している。

研究成果

• [文献書誌] Naot,D.,Nezu,I.and H.Nakagawa: "Hydrodynamic Behavior of Compound Rectangular Open-Channel Flows" Journal of Hydraulic Engineering,ASCE(米国土木学会論文集). 119. 390-408 (1993)
• [文献書誌] Naot,D.,Nezu,I.and Nakagawa,H.: "Calculation of Compound-Open-Channel Flow" Journal of Hydraulic Engineering,ASCE. 119. 1418-1426 (1993)
• [文献書誌] Nezu,I.and Nakagawa,H.: "Three-dimensional Structures of Coherent Vortices Generated behind Dunes in Turbulent Free-surface Flows" Proc.of 5th Int.Symp.on Refined Flow Modelling and Turbulence Measurements,Paris. 7. 603-612 (1993)
• [文献書誌] 冨永晃宏、禰津家久、神谷昌文: "開水路流の河床粗度急変に対する応答特性とその数値計算" 第7回数値流体力学シンポジウム講演論文集. 335-338 (1993)
• [文献書誌] Naot,D.,Nezu,I.and H.Nakagawa: "Effect of Secondary Currents on the Numerical Simulation of Compound Open Channel Flow" 第7回数値流体力学シンポジウム講演論文集. 339-342 (1993)
• [文献書誌] 武本行正、細田尚、冨永晃宏、禰津家久: "一般化座標Staggered Grid系での自由境界問題解析について(II)" 第7回数値流体力学シンポジウム講演論文集. 645-648 (1993)
• [文献書誌] Nezu,I.and Nakagawa,H.: "Turbulonce in Open Channel Flows" IAHR Monograph,Bolkema 出版社,オランダ, 281 (1993)