2020 Fiscal Year Annual Research Report
逆転の発想「風波抑制による気液界面下の乱流混合促進」に基づく赤潮防止策の開発
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19K21937
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
小森 悟 同志社大学, 研究開発推進機構, 嘱託研究員 (60127082)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高垣 直尚 兵庫県立大学, 工学研究科, 助教 (00554221)
松田 景吾 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(地球情報基盤センター), 研究員 (50633880)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2021-03-31
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| Keywords | 風波気液界面 / 乱流混合 / 気液二相流 / 縦渦 / 表面張力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強風で風波を崩壊させることにより風波気液界面下の流体混合が促進されることは良く知られている。本研究では、逆転の発想に基づき強風でなくても風波を部分的に減速させることにより風波気液界面下の流体混合を促進することができるかどうかを検討し、海洋表層の赤潮や貧酸素化を防止する技術を提案することを目的とした。
風波を再現する乱流の直接数値計算法（DNS）を、風速数メートル毎秒程度における風波(以後、純風波と呼ぶ)と表面流速を人為的に抑制した減速風波を気流方向に沿って帯状かつスパン方向に交互に並べた風波乱流場に適用した。その結果、純風波と減速風波のスパン方向間隔を減速風波領域幅の8倍程度にした場合に気液界面下の流体混合が縦渦の生成により促進され、純風波のみの場合に比べて混合が良くなることが明らかになった。これに対し、数メートル毎秒程度で動くフラットな移動界面と流速を強制的にゼロとしたフラットな静止界面を交互に並べた場合には、強い縦渦が界面下に形成されず混合も促進されないことが明らかになった。
これらの数値計算結果を基にして風波を減速させる方法について検討を行うためDNSを用いて表面張力が風波に及ぼす影響についても調査した。その結果、表面張力のみを一様に減少させた場合には風波は増幅されるもののリップル状の波が減衰するため界面下の流体混合は抑えられることがスペクトル解析から明らかになった。
これらの結果から帯状に風波を減速させる方法としては界面活性剤の散布による消波よりも帯状の格子や網等を風向きに沿って（幾何学的相似性が成立するなら格子等の幅の８倍程度の間隔で）水面に設置する方法が有望であることが示唆された。また、DNSの結果を小型風波水槽を製作して実証することを試みた結果、純風波と減速風波の領域幅が同じ場合にはDNSの結果と同様に混合促進が抑制されることを確認するに至った。
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