2019 Fiscal Year Research-status Report
Lagrangeモデルによる砕波帯移動床の輸送機構の計算力学的検討
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18K04366
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
原田 英治 京都大学, 地球環境学堂, 准教授 (00362450)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 数値移動床 / 砕波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
海岸過程で観察される海底の底面境界層では，底面シアーによる堆積層表層砂粒子との活発な運動量交換によって底質土砂輸送が顕在化する．それに加えて，砕波帯や波打ち帯では，砕波によって水面からの運動量の影響が底質土砂輸送に大きく影響する．そのため，海岸における底質土砂輸送機構の理解には，自由水面挙動を精度よく扱うことが可能な流体シミュレーションの実施が鍵となる．このような観点から，本研究では，砂粒子運動追跡に，個別要素法型の数値移動床を用い，また，激しい自由水面変動を伴う砕波帯や波打ち帯での漂砂過程を対象とするため，流体計算には数値拡散による界面の不鮮明化を排除できるLagrange型の流体ソルバーである高精度MPS法を採用し，DEM-MPS法による漂砂の数値シミュレーションを実施した．本年度は，砕波帯から波打ち帯の漂砂過程を対象に，小型水路を用いた水理実験と数値シミュレーションを実施した．特に，土砂輸送の活発な砕波帯付近に形成される砂堆周辺の画像解析から，底質構成粒子の移動速度の空間分布を計測し，砂堆形成との関連を調査した．また，振動台を用いて小規模砕波を伴う水面下の移動床表層に形成されるrippleを対象とした実験を別途実施し，DEM-MPS法の数値シミュレーションからripple形成機構を検討した．rippleを形成する移動床表層粒子の存在域を示し，それらに作用する流体力の観点からripple形成機構を考察した．また，堆積層内部に注入した染料挙動から堆積層の間隙流れとrippleの凹凸形状との関係を示した．一定の研究成果が得られたので，論文としてまとめ投稿した（現在審査中）．なお，小型水路を用いた砕波帯から波打ち帯の漂砂過程を対象とした研究成果は，現時点でまとめる段階には至っておらず，次年度も継続して実施する予定である．
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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
本研究では，実験計測が困難である砕波帯以浅での移動床輸送機構を Lagrange 型数値モデル（DEM-MPS）による３次元での数値シミュレーションから検討し，理解を深めることが目的である．研究の全体計画は３ヶ年（2018年から2020年）であるが，研究初年度2018年度は，３次元のDEM-MPS法の基本的なコード開発を進め，実験結果との比較も実施した．研究2年目の2019年度は，砕波を伴う水面下の移動床輸送機構を検討するため，振動台および小型の2次元造波水路を用いた水理実験を実施した．振動台実験では，堆積層表層の凹凸であるrippleの形成過程と直径の異なる3種類の粗粒子を用いて分級機構を検討した．実験結果とDEM-MPS法の数値シミュレーションの比較から，輸送機構および分級機構を計算力学的に検討した．一方，小型2次元造波水路を用いた水理実験は，土砂輸送の活発な砕波帯付近に形成される砂堆周辺の画像解析および数値シミュレーションから，底質構成粒子の移動速度の空間分布を比較し，砂堆形成との関連について調査を進めた．2019年度に実施した振動台に関する一連の実験および数値シミュレーションに関しては，一定の成果が得られた段階で論文としてまとめて，2019年度中に3編投稿し，現在3編とも審査中である．なお，このうち2編は英文ジャーナルである．一方，小型２次元造波水路を用いた土砂輸送機構に関する検討は，2020年度も継続し検討する．以上の進捗状況から概ね順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究初年度2018年度は，３次元のDEM-MPS法の基本的なコード開発を進め，既往の実験結果や2019年度に実施した水理実験結果との比較からコードの再現性について確認してきた．2019年度の成果として，振動台を用いた移動床水理実験および３次元DEM-MPS法による数値シミュレーション結果から，移動床表層の凹凸の発達に対する自由水面の役割の重要性が計算力学的な観点から確認された．また，堆積層内部の間隙流の向きと凹凸の定性的な関係（凸部で上向き傾向，凹部で下向き傾向）が示された．これらの結果は，砕波帯での土砂輸送機構に対する基礎情報として有用であると考えられるが，砕波帯とは異なる系での知見である．そこで，2020年度は2019年度の継続として，小型2次元造波水路を用いた水理実験および数値シミュレーションの双方から，砕波帯での土砂輸送と地形変化の議論を展開する予定である．水路幅が狭く，十分な渦の三次元構造の検討は，困難である可能性もあるが，砕波帯で観測される大規模組織渦がもたらす底質土砂輸送機構と移動床凹凸（砂州）形成の観点から検討し，本研究（最終年度）の計画を推進する予定である．
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