砕波-気泡系を考慮した大気-海洋境界混合過程に関する計算手法の開発とその応用

点击翻译按钮获取中文摘要

強風下の風波などといった砕波-気泡系を含む大気-海洋境界混合過程は,気泡粒子が水中に混入されることから,このような流れ場を解析するには移動境界を含む複雑混相乱流場としての取り扱いが必要不可欠となるが,このような視点に基づく計算法はこれまで存在しない.一方,研究代表者は昨年,高精度・高安定性を有するGALモデルをベースとした移動境界流れ解析法を構築し,その基本的な有効性を検証したが,より本格的な砕波シミュレーションを行うためには,気泡粒子効果を計算上に組み込むことが必要となる.そこで今年度では,前年度開発したGALモデルをベースとした移動境界流れ解析法に,新しい分散性混相乱流モデルであるGAL-LESモデルをカップリングした移動境界追跡型混相乱流計算手法を構築した.この新しい計算法に基づいて,分散相気泡粒子効果を考慮した3次元砕波シミュレーションを行うことを試みた.その結果,砕波時における一連の水面変動の時空間発達プロセスや,砕波現象を大きく特徴付ける3次元的な大規模渦構造を再現することに成功した.さらに,微細気泡粒子が水中へ混入することにより,水面変動特性や流れ場中の乱流構造特性が大きく変化することが本数値シミュレーションにより示された.この結果は,砕波シミュレーションにおける気泡効果の取り扱いの重要性を示唆しており,本研究で開発した移動境界追跡型混相乱流計算手法の有用性を示すものである.次に,数値シミュレーションの検証データを取得するために,砕波等の影響により水域内の鉛直混合プロセスが顕著となる浅海域における現地観測を行うこととした.様々な物理環境データを観測・整理し,乱流混合特性に関して水温や流速データの両面から検討を行った.