砕波による波面の破れ機構と気泡連行乱れの細部構造

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11450188
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 岩田 好一朗 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10029150)
• 研究分担者: 竹原 幸生 近畿大学, 理工学部, 助教授 (50216933) ; 後野 正雄 大阪工業大学, 工学部, 教授 (10116080) ; 江藤 剛治 近畿大学, 理工学部, 教授 (20088412) ; 鷲見 浩一 金沢工業大学, 工学部, 講師 (10314048) ; 川崎 浩司 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (20304024)
• キーワード: 砕波限界 / 気液境界面 / トリプル型砕波 / PTV / 気泡発生機構 / 水中圧力変動 / 波動音 / 超音速ヴィディオカメラ

研究概要

今年度は、4年間に亘る研究の最終年度にあたる。研究代表者と分担者は下記の研究を行った。
岩田は先ず、鷲見と共同して、超高速デジタルカメラ(4500枚/秒)を使って水理実験を行い、気泡の生成状況を詳細に計測することにより、波頭部前面に表面張力波が形成され、この表面張力波による凸凹乱れが気泡を波動内部に取り込むことにより波面が破れることを指摘した。また、岩田は研究の総括を行った。江藤・竹原は、まず画素周辺記録型撮影素子(ISIS)を開発し、これを使って世界で始めて100万枚/秒の超高速度・高感度のビデオカメラの開発に成功した。ついで、現在最も解像力の高いPTV法の代表格のKC法(Kalman filtering and Chi-square test)を改良して、超高速ビデオカメラ(100万枚/秒)を使い、気液界面での気泡の破裂現象を詳細計測し、気泡の生成と消滅に関する重要な知見を得た。後野は強非線形ポテンシアル理論を使う波変形の数値計算を行い、波頭前面部に形成される"圧力集中特異点"が波面の破れを引き起こすと指摘した。川崎はFFT法と離散ウエーブレット変換による解析を行い、気泡生成後、水中圧力の高周波数成分が増大し、水中音波が発生することを見いだした。そして、その音圧力は気泡発生地点からの距離に反比例して減衰し、無指向性の点源からの球面波伝播理論により予測できることを見いだした。更に、CIP法と拡張SMAC法に基づき、3次元固気液多相流数値モデルDOLFINを開発し、その妥当性を検証した。鷲見は、超高速ビデオカメラ(4500枚/秒)を使った水理実験を行い、内部流速場、気泡混入機構と波面の破れについて考究し、気泡混入過程に4パターンがあることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] S.Devasenathipathy, J.Santiago, K.Takehara: "Particle Tracking Techniques for Electrokinetic Microchannel Flows"Analytical Chemistry. 第74巻, 第15号. 3704-3713 (2002)
• [文献書誌] 江藤剛治, 竹原幸生, 高野保英: "ダイナミックPIVのための高速ビデオカメラの開発"Journal of Visualization. 第5巻, 第3号. 213-224 (2002)
• [文献書誌] 鍋坂誠志, 江藤剛治, 竹原幸生: "水表面の気泡の破裂現象に対する表面張力と粘性の影響の個別信平価の試み"土木学会論文集. 第705巻 第II-59号. 19-29 (2002)
• [文献書誌] 竹原幸生, 真木正弘, 辻本剛三, 江藤剛治, 高野保英: "風波発生時における水面近傍の気流・水流のPTV同時計測"海岸工学論文集. 第49巻. 66-70 (2002)
• [文献書誌] 重松孝昌, 渡辺靖憲, 竹原幸生, 奥村悠樹, 小池敏也: "波動場におけるブロック潜堤間隙内の三次元流体運動に関する実験的研究"海岸工学論文集. 第49巻. 806-810 (2002)
• [文献書誌] 江藤剛治: "100万画素のロボットビジョン用撮像素子の提案"映像情報メディア学会技術報告. Vol.26, No.41. 29-32 (2002)
• [文献書誌] 玉井昌宏, 竹原幸生, 江藤剛治他6名: "CCTVを利用した河川管理に関する要望と利用者把握システムの開発の試み"河川技術論文集. 第8巻. 557-562 (2002)
• [文献書誌] 江藤剛治, 竹原幸生, 高野保英他6名: "赤外線ビデオカメラを利用した河川表面流のPTV計測"河川技術論文集. 第8巻. 465-470 (2002)
• [文献書誌] 竹原幸生, 江藤剛治, 高野保英: "表面張力波による表面張力の計測"日本流体力学会年会2002講演論文集. 208-209 (2002)
• [文献書誌] T.Goji Etoh: "Progress beyond ISIS : Combined Triple-ISIS Cameras, Video Trigger and Terraced Image Sensor(基調講演)"Proceedings of the 25^<th> International Congress on High-speed Photography and Photonics. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] K.Takehara: "Application of a Video Camera of 1Mfps(キーノート講演)"Proceedings of the 25^<th> International Congress on High-speed Photography and Photonics. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] 江藤剛治他15名: "An Image Sensor Which Captures 100 Consecutive Frame at 1,000,000 Frames Per Second"IEEE Transactions of Electron Devices. 第50巻, 第1号(印刷中). (2003)
• [文献書誌] S.T.Thoroddsen, T.G.Etoh, K.Takehara: "Air Entrapment under an Impacting Drop"Journal of Fluid Mechanics. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] Kawasaki, K, Iwata, K: "Time-Frequency Characteristics of Air Bubbles-Induced Dynamic Pressure"Proceedings of The Fifth International Conference on Hydrodynamics. 447-452 (2002)
• [文献書誌] 川崎浩司, 中辻啓二: "3次元固気液多相流数値モデルの構築とその検証"海岸工学論文集. 第49巻. 56-60 (2002)
• [文献書誌] 川崎浩司, 山澤洋一, 岩田好一朗: "気泡の生成・連行に伴う水中圧力の時間周波数解析と距離減衰特性"海岸工学論文集. 第49巻. 111-115 (2002)
• [文献書誌] Kwasaki, K, Nakatsuji, K: "Development of Two-Dimensional Numerical Model of Multi-Phase Flow and Its Application to Hydraulic Phenomena"Proceedings of 13th International Association for Hydraulic Engineering and Research -Asia and Pacific Division Congress. 360-365 (2002)
• [文献書誌] Iwata, K, Kawasaki, K, Sumi, H: "Wave Breaking and Breaking Wave-Induced High Frequency Pressure over Submerged Breakwater"Proceedings of Coastal and Ocean Engineering, Korean Society of Coastal and Ocean Engineers. Vol.13. 14-23 (2002)
• [文献書誌] 川崎浩司: "上昇気泡列に伴う水中圧力の変動特性に関する実験的研究"日本混相流学会年会講演会2002講演論文集. 185-186 (2002)
• [文献書誌] 鷲見浩一, 岩田好一朗: "潜堤上の砕波に伴う気泡混入過程と気泡径に関する実験的研究"海岸工学論文集. 第49巻. 101-105 (2002)