吹雪と煙型雪崩の発生及び流動機構の解明

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13650565
• 研究機関: 長岡技術科学大学
• 研究代表者: 福嶋 祐介 長岡技術科学大学, (環境・建設系)工学部, 教授 (40111661)
• 研究分担者: 犬飼 直之 長岡技術科学大学, (環境・建設系)工学部, 助手 (80293249)
• キーワード: 吹雪 / 雪崩 / 数値シミュレーション / k-ε乱流モデル / 非保存性傾斜サーマル / 固気二相流 / 雪の連行係数 / 土砂浮遊流

研究概要

粉雪雪崩の流動機構と発生機構が同じ固気混層流である吹雪の流動と密接に関連していると考え、一連の研究を推進した。モデルとして、これまで保存性サーマルや定常の泥水流で実績のあるk-ε乱流モデルを用いた。偏微分方程式の離散化と数値解法にはSIMPLE法を用いた。
まず、吹雪の解析では拡散方程式の解法で不可欠な底面での境界条件について考察した。その結果勾配型あるいはフラックス型で与えられる境界条件として雪の連行係数を用いる方法がもっとも合理的であることを示した。これを南極みずほ基地で観測された吹雪データと比較し、風速分布、飛雪流量の分布に対して合理的な結果を与えることを明らかにした。また、現地観測結果と数値解析を組み合わせるで雪粒子の密度と雪の連行係数が算定できることを示した。
雪崩については、傾斜面上のサーマルの流動と酷似していることから、保存性傾斜サーマルの解析を基礎として、上流部で塩水サーマルとして発生した流れが斜面上の固体粒子を巻き上げ、さらに自ら加速する"Ignition Condition"が現れる泥水流に置き換えて数値解析を行った。この結果、底面上の固体粒子の直径がある程度小さいとIgnition Conditionを満たし、流下方向に加速する現象があることを初めて見出した。このようにサーマルが加速する場合には、塩分濃度の等濃度線の時間変化は保存性の場合とかなり異なり、斜面方向に平坦な形状を示すことが明らかになった。一方、土砂の等濃度線の形状は塩分濃度の等濃度線とはその形状がまったく異なり、プルームの先端部の形状に近いことを明らかにした。
さらに、固体粒子を浮遊する流れの相似則についてさまざまな議論があることから、傾斜サーマルについて、保存性と非保存性の二つの場合についてスケールを100倍に替えた数値解析をおこない、サーマルの流動に及ぼすスケールの効果について議論した。その結果、保存性傾斜サーマルでは適切な無地元化を行うとスケールにかかわらず相似な流動となることを実証した。一方、非保存性の場合には、スケールが異なると流動特性に顕著な違いが現れることを確認した。したがって、吹雪や雪崩の流動特性を明らかにするためには、現地規模の数値解析を行うことがもっとも有効であることが示されたといえる。またスケールが異なった場合の底面での条件については十分な検討がなされていないことから、この条件を明確にすることの重要性を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] 衛藤俊彦, 福嶋祐介: "保存性・非保存性傾斜サーマルの流動特性に及ぼすスケールの効果"水工学論文集、土木学会. 48. (2004)
• [文献書誌] 福嶋祐介, 菊地卓郎, 西村浩一: "みずほ基地における現地観測と低温風洞実験に基づく地吹雪データの数値解析および雪の連行係数の評価"土木学会論文集. 773/II-63. 57-65 (2003)
• [文献書誌] 福嶋祐介: "土砂浮遊流と吹雪に対する濃度分布式と空間密度分布式の比較-固体粒子浮遊流の統一見解-"雪氷(日本雪氷学会誌). 65巻3号. 261-270 (2003)
• [文献書誌] 衛藤俊彦, 福嶋祐介: "加速を伴う泥水サーマルの流動解析"水工学論文集、土木学会. 47. 1171-1122 (2003)
• [文献書誌] 福嶋祐介, 高木正徳, 榎本真人, 衛藤俊彦: "保存性傾斜サーマルの流動特性-数理解析と画像解析-"長岡技術科学大学研究報告. 24. 13-22 (2002)
• [文献書誌] 衛藤俊彦, 福嶋祐介: "k-ε乱流モデルを用いた煙型雪崩の数値解析法の提案"雪氷(日本雪氷学会誌). 65巻1号. 3-14 (2002)
• [文献書誌] E.Toshihiko, Y.Fukushima: "Advanced in Fluid Modeling and Turbulent Measurements"H.Ninokata, A.Wada, N.Tanaka. 331-338 (2002)