河川構造物周辺の三次元流況と局所洗掘予測のための非定常解析モデルの開発

开发用于预测三维流动条件和河流结构周围局部冲刷的非稳态分析模型

• 批准号: 12750467
• 负责人: 木村 一郎
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Yokkaichi University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-12750467/
• 关键词: 数値解析; 河川構造物; 水制; 乱流モデル; CFD

水制,堰,橋脚等の河川構造物周辺では,非定常性の強い三次元的な流れ場が生じる.このような流れはしばしば局所洗掘を誘発し,構造物の安定性や河川環境に対して影響を及ぼすため,十分な検討が必要である.本研究は,乱流モデルとして非線形k-εモデルを用いた三次元数値解析手法をベースに,河川構造物周辺の流況と局所洗掘を予測するための実用モデルを構築するものである.本年度は,昨年度までに開発を行ったデカルト座標系における解析モデルを複雑な地形と水面振動に対応できるよう移動一般座標系に拡張するとともに,実際の河川構造物を想定した流れに対する適用を行った.さらに,流砂モデルを組み込み,河床変動の予測を可能おつるモデルへと拡張を行った.基礎方程式の一般座標への変換に当たっては,共変微分とクリストッフェル記号を用いた表記を採用し,保存性と安定性を考慮して完全スタガード格子上に変数を配置した.モデルの検証のため,矩形容器内の水面振動や段波等の単純な現象に適用し,再現性を検証したところ,比較的大きな水面変動を有する流れ場に対しても,十分な精度を有することを確認した.このモデルを斜め越流型水制周辺の流れ場に適用した結果,上流向き水制では底面付近に水制奥部へ向かう流れが生じること,下流向き水制ではその逆向きの流れが生じること等,従来の実験結果と定性的に適合する結果が得られた.また,水制先端部からの渦の発振やそれに伴う水面振動等の非定常現象についても再現可能であることを確認した.河床変動の再現性については定性的に良好であったが,洗掘深の実用的な予測のためにはさらにモデルの精度を高めることが必要といえる.

在河流系统，堰和码头等河流结构周围发生了强烈不稳定的三维流场。这样的流通常会引起当地的冲刷并影响结构和河流环境的稳定性，因此需要进行彻底的研究。这项研究基于使用非线性K-ε模型作为湍流模型的三维数值分析方法，并构建了一个实用模型，用于预测流动条件和围绕河流结构的局部冲刷。今年，我们将直到去年开发的笛卡尔坐标系扩展到了移动的通用坐标系，以适应复杂的地形和水面振动，并根据实际的河流结构将其应用于流。此外，我们合并了一个快速模型，以扩展为一个允许预测河床波动的模型。当将基本方程式转换为一般坐标时，我们使用了协变量差异和基督教符号。合っています。英语：考虑到它们的可靠性和稳定性，变量被放在完全交错的晶格上。为了验证该模型，我们将其应用于简单现象，例如矩形容器中的水面振动和阶段波，并验证了可重复性，并确认它即使对于具有相对较大的水面波动的流场，它也具有足够的准确性。由于将该模型应用于倾斜溢流型水系统周围的流场，朝底表面附近的更深的水系统以及在水系统下游方向的下游方向上的流动以及水系统中相反方向的流动，这与传统实验的结果具有定性兼容。此外，我们证实了从水系统尖端和相关的水面振动中旋转的振荡也可以复制。河床波动的可重复性在质上很好，但是有必要进一步提高模型对冲刷深度的实际预测的准确性。

项目成果

I.Kimura, T.Hosoda, K.Motoki: "Prediction of flow characteristics over a rib in open channels by empirical model and non-linear k-ε model"Flow Modeling and Turbulence Measurements. 8(in printing). (2002)

I.Kimura、T.Hosoda、K.Motoki：“通过经验模型和非线性 k-ε 模型预测明渠中的流动特性”流动建模和湍流测量 8（印刷中）。

I.Kimura & T.Hosoda: "Realizability Conditions for a Non-linear k-ε Model."Yokkaichi University Journal of Environmental and Information Sciences. Vol.4No.1. 63-75 (2000)

I.Kimura 和 T.Hosoda：“非线性 k-ε 模型的可实现性条件”。四日市大学环境与信息科学杂志第 4 卷第 63-75 期（2000 年）。

木村一郎,細田尚,元木光治: "簡易モデルおよび非線形k-εモデルによる桟型粗度近傍の流れ特性に関する検討"土木学会水工学論文集. 第45巻. 457-462 (2001)

Ichiro Kimura、Hisashi Hosoda、Mitsuharu Motoki：“使用简单模型和非线性 k-ε 模型研究横梁粗糙度附近的流动特性”，日本土木工程学会水利工程学报，第 45 卷，457-462（2001 年）。

木村一郎, 福井愛: "木曽川下流域における水制群周辺の流れに関する数値シミュレーション"四日市大学環境情報論集. Vol.5. 171-184 (2002)

木村一郎，福井爱：“木曾河下游坝群周围水流的数值模拟”，四日市大学环境信息杂志，第 5 卷，171-184（2002 年）。

木村一郎, 細田尚, 音田慎一郎: "完全スタガード移動一般曲線座標系における三次元開水路乱流シミュレータの開発"四日市大学環境情報論集. Vol.5. 145-170 (2002)

Ichiro Kimura、Takashi Hosoda、Shinichiro Onda：“完全交错移动一般曲线坐标系中的三维明渠湍流模拟器的开发”四日市大学环境信息杂志，第 5 卷，145-170（2002 年）。