LESのための粗面せん断力モデルの開発に向けて;壁乱流の実験的および数値的な研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15560448
• 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: 大上 芳文 立命館大学, 理工学部, 教授 (30203722) ; 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) ; 梶島 岳夫 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30185772) ; 江藤 剛治 近畿大学, 理工学部, 教授 (20088412)
• キーワード: Turbulence / Measurement / Wall Stress / Inlet conditions / microsensor / bedload / debris flow / flow resistance

研究概要

開水路における壁近傍の3次元的な乱れ特性を把握することを目的として,Wellsは開水路乱流実験計測におけるステレオPIV (Stereo Particle Image Velocimetry)技術の更新に努めると共に,同実験に対してマイクロセンサーを適用した.それによって次のような成果を得た.
a)ステレオPIV法におけるカメラの理論的な配置法やカメラのキャリブレーション法に関する幾つかの知見を得た.
b)滑面乱流の壁近傍におけるせん断応力を直接的に測定するための方法を提案した.これにより得られるデータは,乱流のLESモデル(Large Eddy Simulations)における壁応力の照査に用いることが可能となった.
c)滑面乱流の壁近傍において,杉山研究室で開発したマイクロセンサー(microsensor)を用いて流れの応力の6成分の測定を行った.これにより得られた手法は,粗面乱流における壁応力の直接的な測定やその流れの理解に対して有用な情報を与える.
乱流燃焼をLESに燃焼反応を組み合わせて解くといった新しい手法において,初期条件や境界条件に乱流として統計的に合理的な流速変動場を与えることは極めて重要な課題である.これに対して,主流のない場での手法は前年度に提案している.大上はこの方法を拡張して,主流のある場合に適用するための研究を行い,ほぼ見通しを得ている.
江頭は,自身の流れのモデルを用いて,掃流砂から土石流にまたがる広い領域の流れにおける流れの特性値を説明すると共に,そのモデルを微細砂を伴う流れに適用した.これについては,実験と理論の両面から検討しており,流れの構造に関する興味深い結果が得られている.また,掃流砂から土石流にまたがる広い領域の流れにおける流れに対する新しい数値シミュレーション法を提案した.

研究成果

• [文献書誌] Zhixian Cao, Shinji Egashira, Paul A.Carling: "Role of suspended-sediment particle size in modifying velocity profiles in open channel flows"Water Resources Research. 39(2). 1-15 (2003)
• [文献書誌] J.C.Wells, C.V.Nguyen: "Investigation of near-wall coherence structures by stereo particle image velocimetry"Proceedings, 4^<th> ASME-JSME Joint Fluids Engineering Conference. (2003)
• [文献書誌] J.C.Wells, H.Sugimoto, C.V.Nguyen, K.Kishida: "Camera calibration for stereo P.I.V. with a front-rear camera arrangement. Application to open-channel flow"Annual Journal of Hydraulic Engineering, JSCE. 147. (2003)
• [文献書誌] T.Itoh, K.Miyamoto, S.Egashira: "Numerical simulation of debris flow over erodible bed"Proceedings of the 3rd Int.Conf.on Debris-Flow Hazards Mitigation, American Soc.Civil Eng.. 457-468 (2003)
• [文献書誌] D.V.Dao, T.A.Nguyen, T.Toriyama, J.C.Wells, S.Sugiyama: "A MEMS-based Microsensor to Measure All Six Components of Force and Moment on a Near-Wall Particle in Turbulent Flow"Proceeding of the 12^<th> IEEE International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems. (2003)
• [文献書誌] A.T.Nguyen, D.V.Dao, T.Toriyama, J.C.Wells, S.Sugiyama: "Measurement of Forces and Moments on a Near-Wall Particle in Turbulent Water Flow by Using a 6-DOF Micro Sensor"Proceedings, Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology. (2004)