自由表面近傍における乱流の構造と機構に関する研究

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本研究は自由表面近傍の流れの乱れについて、数値計算と実験によりその構造と機構を解明することを目的として、平成2年度から3年にわたり実施された。初年度は自由表面が変形する場合について自由表面近傍の乱れの構造について調べるために、開水路内の跳水の実験と計算を行った。熱膜流速計により跳水の前後における自由表面近傍の変動流速を計測し、跳水後部の乱動場を調査するとともに、自由表面を含む2次元粘性流場の計算手法を開発した。平成3年度は計算法を3次元に拡張し、非線形水波の一種である孤立波の数値計算を行い、自由表面条件の離散化手法の整合性と精度を検討した。また、これを鉛直円柱のまわりの流れに適用し、円柱前方の円弧状の砕波近傍に生ずる乱れの生成の機構を検討した。平成4年度は、前年度の研究の延長として、自由表面を貫通する鉛直円柱まわりの自由表面近傍の波高と波面の乱れの計測と、それに対応する流れの数値計算を行った。まず波高の計測については、曳航水槽においてサーボ式波高計で波面の高さ及び波面の乱れを計測した。また、数値計算はナビエ・ストークス方程式に基づく有限体積法を用い、これに外部境界の外での波の減衰、さらに自由表面条件等の改良を施した。その結果、円柱後部の剥離領域はフルード数の増加とともに後退し、前後端部における波高差も拡大するなど、計算結果は概ね実験結果と良好な一致を示し、本計算法の実用性が検証されたものと考えられる。3年間の研究を通じ、自由表面を有する粘性流の挙動、自由表面近傍の乱れの発生機構、およびその構造について有用な知見を得ると共に、剥離を伴う粘性流場と自由表面の干渉に関する予測手法を確立することができた。