水面の大変形を伴う複雑乱流場と底面剥離渦の相互干渉に関する研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12650514
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 藤田 一郎 神戸大学, 都市安全研究センター, 助教授 (10127392)
• Keywords: 剥離渦 / トレンチ / 画像解析 / 振動跳水 / 水面変動 / 落差工 / 複雑乱流 / 流れの可視化

Research Abstract

神戸市のように比較的急勾配の後背地を抱える都市河川では、流れのエネルギー勾配を緩和するために数多くの落差工が設置されているが、平水時の流れは非常にわずかなため、ウォーターフロントを配慮して落差工下流側にトレンチ部を設置し、水面の確保を試みている場合がある(例えば、神戸市の住吉川)。著者はこのような流れ場では、トレンチ部のアスペクト比によっては激しい振動跳水が生じることを指摘してきている。この場合、落差部への流れは自由落下するために水面は大変形し、トレンチ内部およびその下流では大規模な剥離渦が生成される。本研究ではこの複雑乱流場の特性を明らかにするために、長さ7m、幅15cmの実験水路を用いた詳細な計測を行った。まず、振動跳水の周波数特性を明らかにするために様々なアスペクト比のトレンチ部を作成し、振動跳水が発生する場合のアスペクト比と振動周期の計測を行った。その結果、ストローハル数とアスペクト比およびレイノルズ数の関係を明らかにすることができた。すなわち、トレンチに関するレイノルズ数の増大に伴ってストローハル数が一定値に漸近することを明らかにした。次に、流れの縦断面をアルゴンイオンレーザー光膜で照射して内部流れを可視化し、その流況を高速ビデオカメラを用いて撮影した。画像のサンプリングは474Hzで行い、得られた約1万枚の連続画像をPIV解析して各瞬間の流速分布および渦度分布を求めた。また、トレンチ内部にいくつかの計測点を想定し、各点の連続データからスペクトルを算出し周波数特性を調べた。その結果、トレンチの下流側で生じる剥離渦の消長が流れの振動特性に大きく関与していることを示すことができた。また、跳水発生の条件として、トレンチ部下端で発生する上昇流によって生じる定在波の波高があるしきい値を越える必要があることを明らかにした。

Research Products

• [Publications] 藤田一郎: "トレンチ付き落差工流れの水理特性"水工学論文集. 第45巻. 403-408 (2001)
• [Publications] 藤田一郎: "開水路非対称トレンチ部における振動跳水の特性"土木学会関西支部年次学術講演会講演概要. (発表予定). (2001)
• [Publications] Ichiro FUJITA: "Image Analysis of Open-Channel Flow at a Backstep Having a Trench"Proceedings of the 6th Asian Symposium on Visualization. (発表予定). (2001)