2014 Fiscal Year Annual Research Report
固体－流体混合系における物質輸送及び構造形成に潜む普遍的機構の解明
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14J03528
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
新屋 啓文 名古屋大学, 環境学研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 非線形動力学 / 粒子法 / 流体計算 / 粒子輸送 / 吹雪 / 砂嵐 / スプラッシュ過程 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、地形のパターン形成やダイナミクスに潜むメカニズムを議論する上で、最も基本的な要因である粒子輸送について調べた。特に、吹雪や砂嵐といった風生作用による堆積物輸送が示す時空間ダイナミクスを理解するため、流体近似計算手法と粉体計算手法を組み合わせた理論模型を構築し、以下の通り実施した。
１風による粒子輸送
吹雪や砂嵐などは、流体-粒子間の複雑な相互作用により発生及び発達する。そこで、吹雪のランダムフライトモデルを参考に、粒子運動の発生源である地表面近傍の輸送特性について調べた。その結果、粒子輸送は時間経過に応じて、発達段階・緩和過程・定常状態の３状態を示した。まず、浮遊粒子数は粒子と地表面との衝突によって急激に増加する。その後、空気抵抗を介した流体-粒子間の運動量交換により、風速の弱化と輸送量の減少が生じた。最終的に、粒子輸送の定常状態が実現された。そして、鉛直分布に関して、明瞭な転移高度が乱流揺らぎの指標である摩擦速度に確認され、粒子の平均高度で特徴付けられる事を示した。
２粒子-粒子層間の衝突過程（共同研究として参加）
粒子輸送下における粒子-粒子層間の衝突を直接測定することは、多数の粒子が同時に運動しているため非常に困難である。そこで、離散要素法を用いて衝突過程の統計的性質について調べた。特に、定常的な粒子輸送が形成された場合で、個々の衝突過程が独立であるか検証した。その結果、粒子層から放出する粒子の角度・速さ分布は、既存の実験結果と定性的に対応した（ただし、角度の浅い領域を除く）。つまり、定常的な粒子輸送は１粒子衝突の重ね合わせで再現できる事を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、地形のパターン形成やダイナミクスに関して、最も基本的な要因と考えられる粒子輸送の計算手法を確立することが必須である。これまでに、先行研究として考案された流体・粒子計算手法に基づき、自由度の高い（設定条件などの変化が容易）モデルの構築を行った。加えて、モデルに内在する物理的特性が示されただけでなく、得られた結果が未だ風洞実験などと定量的に異なる事を明らかにした。
以上の観点から、研究の基盤となる手法の構築により、研究目的の達成度は順調であると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
流体近似計算手法と粉体計算手法を組み合わせた理論模型の特徴的性質を明らかにしたが、未だ数値結果と実験結果は定量的に大きく異なる。考えられる最大の原因として、粒子と雪面との衝突過程が本年度の成果から示唆されている。なぜならば、モデルに採用している衝突過程の統計的関数が風速の遅い領域で計測された近似式であり、この近似式は粒子輸送の卓越に要する風速領域と対応していない。そこで、１粒子衝突の詳細な実験結果を基に新たな統計的関数を構築する。そして、改良されたモデルの結果と野外・風洞実験結果との比較を行う予定である。
また、詳細な粒子輸送の理論模型を発展させ、雪崩など多数の粒子で構成される斜面流に対する理論模型の提唱を行う。ただし、実際の雪崩内部は非常に複雑な流れ場を有するため、雪崩の規模に応じた単純な風速分布を仮定しモデリングを行う予定である。
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Research Products
(20 results)
