砕波一気泡系を考慮した大気-海洋境界混合過程に関する計算手法の開発とその応用

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11750450
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 二瓶 泰雄 東京工業大学, 大学院・情報理工学研究科, 助手 (60262268)
• キーワード: 砕波 / 気泡 / GAL-LESモデル / 大気ー海洋境界混合過程 / 数値シミュレーション / 三次元乱流構造 / 移動境界流れ解析法 / 混相乱流モデル

研究概要

強風下の風波などで見られる砕波を伴う大気-海洋境界混合現象は、大量の気泡粒子が激しい乱れとともに海水中に混入されて活発なガス交換・運動量交換を引き起こしており、そこでの力学特性を明らかにすることは極めて重要である。本研究では、このような砕波-気泡系を含む大気-海洋境界過程を対象として、新しい複雑混相乱流モデル(GAL-LESモデル)をベースにして、大気・海洋運動をその相互作用まで含めた形で直接計算でき、かつ砕波時での気泡混入効果をも組み込んだ移動境界追跡型複雑混相乱流計算を構築し、その計算手法に基づいた砕波シミュレーションにより砕波時における斜降渦といった三次元的な大規模渦構造を解明することを目的として研究を遂行・発展させている。
今年度においては、まず、大気・海洋運動をその相互作用過程まで含めた形で取り扱うために、既存の数値計算上問題となる高密度・高粘性比条件下でも安定に解析し得るような移動境界流れ解析法を構築することを試みた。具体的には、大気と海洋の運動を別々の流体相として取り扱うとともに、移動境界追跡モデルとして高精度界面追跡を実現し得るGALモデルを適用することにより、密度比条件の制約を全く受けない高精度移動境界流れ解析法を構築した。また、本解析法をいくつかの基本的な移動境界流れ場への適用し、本解析法の基本的な有効性や汎用性を確認した。次に、この移動境界流れ解析法と、研究代表者がこれまで提案している一般性の高い混相乱流モデル(GAL-LESモデル)をカップリングした移動境界追跡型複雑混相乱流計算手法に基づいて、気泡混入効果を考慮した。さらに、現地海岸のサーフゾーンにおける砕波時の気泡混入状況を把握するために、可視化観測を実施するとともに、そこでの気泡の空間パターンに関して検討することを試みた。

研究成果

• [文献書誌] 二瓶泰雄,灘岡和夫: "GAL モデルに基づく移動境界流れ解析法の構築とその応用"土木学会論文集. II-50. 19-30 (2000)
• [文献書誌] 二瓶泰雄,灘岡和夫: "GAL モデルをベースとした移動境界流れ解析法の砕波計算への応用"混相流シンポジウム講演論文集. 18. 211-212 (1999)
• [文献書誌] Yasuo Nihei & Kazuo Nadaoka: "A Computational Method for Two-phase Fow with Moving Boundary Based on a GAL Model"Coastal Engineering Journal (in press). 41. (1999)
• [文献書誌] Yasuo Nihei & Kazuo Nadaoka: "Breaking-wave simulation with a new computational method for moving boundary flows based on a GAL model"The 4th Int.Conf.On Hydrodynamics 2000 (subumitted). (2000)
• [文献書誌] Yasuo Nihei & Kazuo Nadaoka: "A New Multiphase Large-Eddy Simulation of a Plane Bubble Plume"Int.J.Numerical Methods in Fluids (to be submitted). (2000)
• [文献書誌] 二瓶泰雄,灘岡和夫: "流相乱流モデルと移動境界追跡モデルを併用した3次元砕波シミュレーション"土木学会海岸工学論文集(投稿予定). 47. (2000)