| 研究課題/領域番号 |
18K03953
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| 研究機関 | 兵庫県立大学 |
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研究代表者 |
高垣 直尚 兵庫県立大学, 工学研究科, 助教 (00554221)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 運動量輸送 / 風波 / 台風 / 気泡層 / 砕波 |
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| 研究実績の概要 |
台風など熱帯低気圧下における高速気流場の風波気液界面を通した運動量輸送機構を明らかにし，信頼性の高い輸送モデルを構築することは，台風の強度を正確に見積もるうえで極めて重要である．既往研究では，台風下の海表面近傍は，液滴の飛散や気泡の巻き込みなどの激しい砕波を伴う複雑な気液二相乱流場を呈し，特に海表面は，気泡同士が連続的にくっついて層を成す，いわゆる気泡層に完全に覆われることが報告されている．さらに，この海表面における超高密度の気泡層の形成が大気海洋間の運動量輸送量を抑制する可能性が示唆されている．しかし，気泡層の生成機構および気泡層を通しての運動量輸送機構はその機構の複雑さゆえに全く解明されていない．そこで本研究では，高速気流による超高密度気泡層の生成機構・気泡層を通しての運動量輸送機構を解明することを目的とする．本年度は，（１）九州大学応用力学研究所の大型風波水槽を改良し，台風シミュレーション水槽へと改造を行った．また，台風シミュレーション水槽の稼働実験に成功した．（２）近畿大学設置の小型風波水槽を使用し吹送距離延長手法である風ループ法を確立した．（３）１，２におけるデータを含んで，高風速域における気泡層を有する風波気液界面の形状解析を行った．その結果，気泡層を有する風波気液界面を通しての運動量は，通常想像される摩擦速度のみではなく，摩擦速度・粗度粗さ・波速の独立した3要素に支配されることを明らかとした．これらの研究実績の一部は，査読付き英文誌1報および5度の学会講演会において報告された．以上より，本年度の研究は想定通りに進展した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
初年度となる本年度は，高速気流により生成される超高密度気泡層を通しての運動量輸送機構を明らかにするために，まず実験装置の作成および実験・計算手法の確立することを目的とした．具体的には，九州大学における実験研究・近畿大学における実験研究・数値計算研究の3つの研究について準備等を進める予定であった．研究１においては，高速気流場における気泡層実験を行うために九州大学応用力学研究所の大型風波水槽を台風シミュレーション水槽へと改良した．本水槽においては，一般に海洋における高風速域の30m/s以上の風速を再現可能であることを検証実験により確認した．一方で，風速測定においては粒子画像流速計を利用する予定であったが，年度途中において利用していたダブルパルスレーザが壊れてしまい，また本レーザを買いなおすための予算をねん出することができなかった．そのため，風速測定はピトー管を用いて行った．研究２においては，当初は近畿大学に設置されている小型風波水槽を使用して，吹送距離延長技術である風ループ法の確立，造波装置の稼働実験，低速気流場における気泡層実験等を実施する予定であった．このうち，稼働翼および勾配可変天板を新規に作成し，水槽出口部における風速分布を水槽入り口部において再現し，水面上を吹く風があたかも循環しているように再現する風ループ法を確立した．また，造波装置の設置および稼働実験に成功した．気泡層実験に関しては，兵庫県立大学の長さ1mの風波水槽においてその準備実験を開始した．3つ目の計算研究に関しては，気泡層計算をin-houseコードにてLEVEL-SET/VOF法を利用するか，ANSYS/FLUENTを用いたVOF法を利用するかについて，検証を行った．これは，当初はin-houseコードの利用を考えていたが，実際に検証を開始すると非常に多くの計算資源を必要とすることが発覚したためである．
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| 今後の研究の推進方策 |
2019年度には，高速気流により生成される超高密度気泡層を通しての運動量輸送機構を明らかにするために，九州大学における実験研究・近畿大学における実験研究・数値計算研究の3つの研究を実施する予定である．研究１においては，高速気流場における気泡層実験を行うために九州大学応用力学研究所の大型風波水槽を使用する．実際の運動量輸送量は運動量バジェット法およびレーザ流速計を用いた直接測定により実施する．測定された運動量輸送量は，京都大学やロシア人共同研究者の実験水槽における値などとの比較解析を行う．研究２においては，低速気流場における気泡層実験を行うために近畿大学に設置されている小型風波水槽を使用する．気泡層実験では，あらかじめ水槽内にごく微量のTriton-Xなどの界面活性剤を混入し，混合することにより，界面に厚さ数cm程度の気泡層を形成させる．その後，ファンを用いて風波水槽内に風を流入させ，気泡層にせん断力をかける．風速は，水面波の発生しない風速5m/s以下とする．流動場測定および気泡層測定は(研究1)と同様の方法で行い，気泡層を通しての運動量輸送量を直接測定する．また，境界層厚さが運動量輸送量に及ぼす影響についても検証を行う．研究３においては，実際に気相と液相の中間の特性を持つ第三層として気泡層を設定し，気泡層を有する混相乱流場を対象に数値計算を実施する．本計算は本研究室で保有するワークステーションもしくは地球シミュレータセンタのスーパーコンピュータを用いて並列計算により実施する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度途中で研究計画に入っていたダブルパルスレーザが破損した．その後，必要な性能・条件を備える新規のダブルパルスレーザの購入を検討した．見積もりを取ったところ，約400万円かかることがわかり，購入可否を検討している間に，本年度中に納品できない時期となってしまい，ダブルパルスレーザの新規購入を見送った．そのため，約160万円を次年度へと繰り越しを行うこととした．また，ダブルパルスレーザの破損のために，当初購入を予定していたダブルフレームカメラの購入は見送った．以上より，次年度使用額が生じた．本繰越金は次年度に新規のダブルパルスレーザの購入等に充てる予定である．
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