水表面に作用する風応力によって起こる気-水運動と気体輸送現象の可視化計測法の開発

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11750462
• 研究機関: 近畿大学
• 研究代表者: 竹原 幸生 近畿大学, 理工学部, 講師 (50216933)
• キーワード: 水表面 / 風波 / 気体輸送

研究概要

水域の環境を考える上で、酸素や二酸化炭素等の溶存気体量を精度よく評価、予測することが必要である。海洋や湖などにおいて水表面を通した気体輸送は、主に風応力が水表面に作用し、表面が乱されることにより促進される。これまでの研究では専ら上空の風速とバルクな溶存気体量から、気体輸送係数を求めており、直接風速と気体輸送係数を関係付けている。しかし、現地計測の気体輸送係数の結果は、風速に対して大きくばらつく。気体輸送量をより正確に評価、予測するには、水表面での気体輸送機構を理解する必要がある。
本研究では、以下の技術について開発を行った。
(1)水表面を通した二酸化炭素の溶入過程の直接可視化法の開発
蛍光強度のpH依存性を利用して、二酸化炭素の溶入過程の直接可視化法を開発した。水溶性の蛍光染料(ウラニン)がpH6以上では蛍光強度が変化せず、pH6以下では、pHの減少とともに蛍光強度が急激に減少減少する。この特性を利用して、アルゴンイオンレーサーを励起光として、LIF(Laser Induced Fluorescence)法により、風波発生時の二酸化炭素溶入過程の可視化に成功した。
(2)微小水滴をトレーサーとした気体PTVの開発
気流のPTV用トレーサーとして一般的に、微小油滴が用いられる。しかし、水表面での気体輸送現象を目的とした場合、水表面に油膜を作ってしまうため問題となる。本研究では、医療用ネブライザーを用いた微小水滴発生装置を試作し、PTVが可能であることを示した。

研究成果

• [文献書誌] T.G.Etoh, et al.: "Development of high-speed video camera"Proc.of the 24th International Congress on High-Speed Photography and Photonics. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] T.G.Etoh,S.Nabesaka,and K.Takehara: "High speed image capturing of bursting phenomena of a bubble at water surface"Proc.of the 24th International Congress on High-Speed Photography and Photonics. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] 竹原幸生,江藤剛治,前田崇雄,相武克彦: "PTVによる風波発生時の水表面近傍の気流・水流計測法"海岸工学論文集. 第47巻. 101-105 (2000)
• [文献書誌] K.Takehara,S.T.Thoroddsen: "The coalescence cascade of a drop"Physics of Fluids. Vol.12 No.6. 1265-1267 (2000)
• [文献書誌] 角野昇八,細井由彦,竹原幸生,江藤剛治 他: "水表面での気体輸送に関する研究の最新の動向"土木学会論文集. No.656/II-52. 269-287 (2000)
• [文献書誌] K.Takehara, et. al.: "A Kalman tracker for super-resolution PIV"Experiments in Fluids. Suppl.. S34-S41 (2000)