PIV法および直接数値計算法による流砂のマイクロメカニクスの解明

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13650575
• 研究機関: 立命館大学
• 研究代表者: WELLS John C. 立命館大学, 理工学部, 助教授 (60301644)
• 研究分担者: 梶島 岳夫 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30185772) ; 杉山 進 立命館大学, 理工学部, 教授 (20278493) ; 江頭 進治 立命館大学, 理工学部, 教授 (00027286) ; 山本 恭史 関西大学, 工学部, 助手 (90330175) ; 竹原 幸生 近畿大学, 理工学部, 助教授 (50216933)
• キーワード: 壁乱流 / 掃流砂 / 粒子 / 衝突・接触モデル / 直接数値計算法 / マイクロセンサ / 力・モーメントの測定

研究概要

本研究は、流砂のマイクロメカニクスを解明するに当たり、次の三つの課題に焦点を絞り、これらを推進している。
(1)乱流と粒子運動のシミュレーション法の開発、検証、(2)力・モーメントマイクロセンサの開発、検証、(3)流砂の微視的挙動の解明。
課題(1)に対し、流水中の粒子間接触力、特に粘性に伴う成分、の物理的な解明は送れており、数値計算においては合理的なモデルを導入する必要がある。その実験的な検討として水槽の河床にステンレス板を水平において、ガラス球を静水中に落として、反発係数を観察した。ステンレス板の粗さを0.28micronから105 micronまで変化させた結果、反発係数は粗さに伴って低くなることがわかった。一方、過去のモデル化式(たとえばBarnocky and Davis,1988)によれば、粗さは反発を強める傾向である。従って、それらのモデルに対しては粗さ凹凸におけるエネルギー散逸を追加する必要があることが明確になっている。
また、開水路の河床に半球を設置し、Stereo PIVによってその乱流後流を横断面において流速3成分の測定を行っている。このデータとシミュレーション結果を比較することによって、梶島の手法による粒子、乱流の相対作用を検証する。
課題(2)においては、水路床の粒子に働く力およびモーメントのすべての成分を測定できるピエゾ抵抗型マイクロセンサを作成した。Calibrationを行った結果、レスポンスが線形的であり、crosstalkが低い。これから水流にセンサーを設置し、それに伴う実用的な課題を対応する。
課題(3)に関しては、横断面におけるStereoPIV実験および数値シミュレーションによって、粒子が運動を開始するときに最も影響のある乱流イベントがsweepであること、またそれのスケールが粒子の大きさに伴うことが確認された。

研究成果

• [文献書誌] Wells, J.C., 岸田圭史: "開水路における壁面乱流構造のステレオPIVによる計測"土木学会水工論文集. 46. 523-528 (2001)
• [文献書誌] Dao, V.D., Toriyama, T., Wells, J.C., Sugiyarna, S: "Design of a Micro Multi-Axis Force-Moment sensor"電気学会論文誌. 122-E・No.1. 35-41 (2002)
• [文献書誌] 高島史揚, 山本恭史, Wells, J.C., 江頭進治, 中川博次: "開水路滑面における固体粒子運動開始時の流れの構造"土木学会第56回年次学術講演会講演集. I(CD-ROM). (2001)
• [文献書誌] Wells, J.C., Yamamoto, Y., Yamane, Y., Egashira, S., Nakagawa, H(Kambe et al., eds.): "Proceedings of IUTAM Symposium on Geometry and Statistics of Turbulence"Kluwer. 8 (2001)