多ソース・多重構造性を特徴とする浅い水域の乱流場に対する乱流モデルの開発と汎用化

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我々の研究グループでは,昨年度の重点領域研究において,河川・湖沼・沿岸域などの浅い水域の乱流現象を解析する新しい形の乱流モデルとして『SDS & 2DHモデル』を開発した.昨年度の研究では,モデルの基本的な枠組みの構築を行い,それを比較的単純な浅水流場に適用することによって有効性を示したが、SDS & 2DHモデルをさらに発展させ実用的なものにしていくためには,(1)SDS乱れの基本特性を実験的に把握し,SDS乱流モデルの高精度化を図る,(2)SDS & 2DHモデルを様々な流れ場に適用し,モデルの基本特性や適用限界を明らかにする,ことが不可欠であると考えられる.そこで,今回の研究では,これら二つの点に基づいて室内実験と数値実験の両面からSDS & 2DHモデルの基本特性の検討を試みた.まず,(1)の室内実験による検討では,基本的な乱流場として円柱背後の後流を対象として,風洞実験による詳細な乱流計測から,偏平な(=浅い)流れ場の乱れの性質を検討した.その結果,同じRe数であっても風洞断面が偏平な場合(2D)と偏平でない場合(3D)では,後流域の拡がりや乱流統計量などに大きな性質の相違が現れることが明らかになった.このような乱流特性の相違は,円柱後流域の組織渦構造の違い(2Dの場合に明確な大規模渦が発達)によるものであり、乱れにとっての幾何学的な制約条件の相違が水平混合特性に大きく影響することが実験的に裏付けられた.次に,(2)の数値計算による検討では,開水路の側岸に植生帯にある水平せん断流を対象として,植生帯の状況の変化が流れ場に与える影響について実験結果と数値計算結果を比較した.その結果,SDS & 2DHモデルでは,植生の密度や植生帯の幅の変化にともなう流況の変化を水平大規模渦の発達の相違として直接的に表現できる形となっているため,k-εモデルなどの既存の乱流モデルでは表現することが困難であった植生帯の幅や密生度と水平混合特性の関係を適切に表現できることが明らかとなった.