2019 Fiscal Year Annual Research Report
大気-海洋間の運動量・ガス交換機構の統合的モデル化とその地球環境工学的応用
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19H02249
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
杉原 裕司 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (70243970)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山上 路生 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80362458)
高垣 直尚 兵庫県立大学, 工学研究科, 助教 (00554221)
Eljamal Osama 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (40600052)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 風波 / 運動量交換 / ガス交換 / 砕波 / 地球温暖化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は，中型風洞水槽において風波界面の画像撮影，表面流速，風速分布，波高，周期等の測定を行った（表面流速の測定は回流式小型風洞水槽においても実施された）．各風速条件における風波界面の遷移の様子を詳細に観察し，砕波の発生する風速条件について検討した．風波界面での運動量交換の指標となる海面抵抗係数と風波レイノルズ数との関係において，砕波発生付近でその挙動が変化することを確認した．また，気流側摩擦速度に対する表面流速および水表面ストークスドリフト流速の関係では，どちらの物理量も砕波発生付近においてデータの傾きが変化することを見い出した．これらの挙動の変化は，砕波の発生により，吹送流や風波に注入されていた運動量が砕波乱流や気泡・飛沫の生成に使われるようになるためであると考えられる．大型風洞水槽の稼働試験および計測技術の検証実験を実施した．その結果，大型風洞水槽中において風速20メートルの高風速状態を30分以上維持できることを確認した．また，大型風洞水槽において，風波界面のビデオカメラ撮影を実施し，波面画像解析の要素技術に関する検討を行った．
気液界面の乱流素過程を調べるために，より単純な流れ系である開水路乱流場を対象とした検討を行った．界面せん断応力が作用するケースの直接数値シミュレーション（DNS）および代表的なRANSである標準k-epsilonモデルによる数値解析を行い，吹送乱流場の平均主流速，乱れエネルギー，エネルギー散逸率の鉛直分布および界面乱流の特性について示した．また，シンプルな水表面減衰関数を導入した等方型乱流モデルによる吹送乱流場や界面近傍の乱流場の再現性について有用な知見を得ることができた．
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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
初年度は，大型風洞水槽を高風速状態で稼働できるかどうかの試験を実施し，高風速状態における風速および波高の計測技術について検証実験を行った．その結果，高風速状態においても，低風速状態とおおむね同程度の精度で風速および波高が測定可能であることを確認した．また，PIVのデータ解析手法についても検討を進めており，水槽実験において系統的な流速測定が実施可能であると考えられる．さらに，ガス交換実験に関する有用な知見も蓄積することができている．以上のように，研究計画全体として見た場合，本研究の現在までの進捗状況はおおむね順調に進展していると見なすことができる．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，小型風洞水槽，中型風洞水槽および大型風洞水槽を活用した精度の高い室内実験を行う予定である．なお，ガス交換に関わる乱流の素過程を詳細に調べるために，これらの風洞水槽実験に加えて，振動格子水槽を用いた室内実験を実施する．小型，中型風洞水槽および振動格子水槽においてPIVによる流速計測を実施し，水表面近傍における乱流特性，吹送流特性，さらに運動量・ ガス交換機構に関与する乱流力学について実験的に検討する．また，水面変動を有する乱流場への計測手法や理論的考察の拡張を試みる．さらに，激しく水面が崩壊し液滴や気泡が生成される風波界面を通しての運動量輸送量を高精度に測定する手法として新たな運動量収支法およびプロファイル法についても検討を行う予定である．
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