三次元深海砕波の流体力学的性質に関する基礎的研究

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本研究では、深水域で見られる3次元砕波現象を究明するため水槽で発生させた1点集中過渡水波、短波頂不規則波を用いて波の流体力学的性質に関する基礎的研究を行った。長水槽内で側壁反射を利用した発生させた波の波動現象を記述するため、点ソースポテンシャルを用いた線形モデルと非線形自由表面条件を取り入れた境界要素法に基づく数値シミュレーションを行い、3次元計測された(空間)波形、水粒子流速等と比較した。1点集中過渡水波の計算及び実験結果により、3次元構造をもつ巻波(Plunging Breaker)の流速分布の特徴を明らかにし、表層における逆流現象が確認された。また砕波に至らない波高では、計算された空間波形が実験値と良く一致し、砕波(直前)波形の予測、砕波発生機構の解明に繋がる幾つかの知見を得ることができた。シミュレーション計算によれば、1点集中波の砕波直前の流体運動は波の主方向に比較的2次元的な様相を呈していることが判り、シミュレーション計算結果と簡単な力学モデルと組み合わせれば海洋構造物などの砕波力及び衝撃圧等の応答が比較的簡単に推定できると考えられる。線形モデルによる1点集中過渡水波、短波頂不規則波を計算した結果、波の時空間特性(空間波形、波高時系列)が実測値と良く合い、海洋構造物特に超大型浮体構造物に働く波力及びその波浪中応答推定に必要な詳細情報が求められるようになった。一例として空港型海洋構造物の方向スペクトル波中応答に応用し、浮体の剛体運動、弾性挙動、係留反力などの解析が行われた。海洋波の砕波時の非線形的挙動を把握するために2次元境界要素法に基づく非線形シミュレーションプログラムを開発した。巻波の空間波形の計算結果、実測値と良い相関が見られ、砕波時の最大波高(水位)、瞬間最大流速などの波力推定に有効であることが判った。本研究では当初の目的である3次元深海砕波の理論計算及び水槽における3次元計測はひとまず達成されたと言えるが、今後の課題としては、砕波時(含む砕波後)の強い非線形性を考慮し厳密な数学モデルの改良開発、砕波に至らせる種々の影響要因についてのパラメトリック・スタディなどが挙げられる。また理論計算のValidationとして水槽内に発生させた砕波を含む短波頂不規則波の緻密且つ効率的な計測法の開発が必要である。さらに短波頂不規則波中海洋構造物に働く砕波力、漂流力などの非線形波力について線形波力と同様に精度良く推定できるように理論計算及び水槽実験の両面から研究していく予定である。