高濃度土砂が粗面乱流の抵抗特性および流動機構に与える影響

2019 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 17K06583
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 水工学
• 研究機関: 熊本大学
• 研究代表者: 大本 照憲 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (30150494)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: sediment transport / non-Newtonian fluids / open channel flow / coherent vortex / PIV

研究成果の概要

本研究は二次元角柱粗度,三次元角柱粗度、円柱粗度および球状粗度を有する粗面開水路流れにおいて高濃度土砂が乱流構造，大規模渦の発生機構に与える影響を明らかにすることを目的とする．そのため，高濃度土砂流の模擬流体としてPSA溶液を用い，流速の計測にはPIV(Particle Image Velocimetry)を適用し，速度勾配テンソルの第二不変量であるQ定義法により大規模渦を同定し，その動特性を清水流との比較を通して詳細に検討した．解析結果から，高濃度土砂流では土砂濃度の増大により大規模渦の強度を弱まり，発生周期は長く，粗度頂部の剥離渦を抑制することが認められた．

自由記述の分野

水工学

研究成果の学術的意義や社会的意義

高濃度土砂流において粗度の影響が強いRoughness Sublayer 内の流れは，粗面乱流の抵抗則を規定する重要な領域であるにも係わらず乱れの空間変動特性について十分に検討されていない．本研究では，２次元粗度（円柱粗度，角柱粗度）3 次元粗度(球状粗度，角柱粗度)上に高濃度土砂流を発生させ，その抵抗則および高空間分解能を有し高精度の粒子画像流速計法を用いて流動機構を明らかにした。Roughness Sublayer 内の剥離渦の構造と抵抗則との関係を明らかにし，粗面乱流の普遍的構造を解明することは学術的意義が非常に大きく、河川の治水および環境機能を強化する上で基礎的知見となる