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本研究は、斜面上の砕波変形過程をそれ内部機構と関連してとらえ、波変形から砕波までの一環した数値計算法の確立を目的に行ったものである。
1.理論的研究 (1)斜面上の定常砕波を対象に数理解析モデルを提示し、F.E.Mによる解析方法を示した。これは、砕波のエネルギー逸散をプラントル型のレイノルズ応力として評価し、さらに砕波に伴う気泡連行の効果を空気の圧縮性を考慮した連続式で取り込む方法である。実験と比較の結果、砕波後の波高減少が斜面勾配及び波形勾配と対と対応して良く計算できる事が分った。
(2)砕波現象をより厳密に解明する為に非線形非定常の計算を行う必要がありNーS方程式を直接差分解析するSMAC法を適用した。従来のSMAC法を砕波時の水塊突入やそれ以降の乱れ場の計算可能なように改良を加えた。この計算システムは、筆者が既に開発したポテンシャル波動のF・E・M計算結果を用いるもので、初期条件および境界条件を逐次computerから直接入力され波の変形から砕波の一環した計算が行なえる。計算結果は極めて良く実験を再現している事が確認され、砕波内部の圧力、渦度等に関する定量的評価を行った。(3)波動場における底面境界層の問題に対して、まず混合距離理論に基づく乱流の支配方程式を直接F・E・M解析する方法を開発し、波の有限振幅性および慣性移流項の効果を定量的に評価した。次に、渦度方程式を対象とし、これに乱流エネルギー逸散項を導入してF・E・M解析する方法を開発し示した。砂蓮上の乱流境界層の計算を実行して、波動下における乱れ場の特性を良く計算している事が確認された。
2.実験的研究 斜面上での砕波変形過程を対象に実験を行った。ビデオ撮影とその画像解析システムを確立して、内部諸量を計測解析し、数値解析との比較資料を得るとともに、これら諸量の変化について砕波形態と対応して検討した。
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