水表面近傍の乱流特性と気体交換速度の定量化に関する研究

近水面湍流特性及气体交换率量化研究

• 批准号: 07750603
• 负责人: 杉原 裕司
• 金额: $ 0.64万
• 依托单位: Kyushu 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: 1995
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1995 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07750603/
• 关键词: 気体交換; 水表面; 再曝気; 乱流; スカラー輸送; 応力方程式モデル; 数値解析

水表面近傍の乱流特性と気体交換速度の普遍的な定量化を目的として基礎的研究を行った。本研究では理論的な取り扱いが容易なように、単純乱流である振動格子乱流場を解析対象とした。水表面近傍の乱流解析の高精度化は、上記の目的達成において重要な課題であると考えられるため、乱流数値モデルの性能評価と水表面近傍解析への適用性について詳細に検討した。調べた数値モデルは、k-εモデルとLaunder-Reece-Rodi型のレイノルズ応力方程式モデル(以下RSM)である。無限水深の振動格子乱流場(基本場)においては、k-εモデルの解析解とRSMの解析解は厳密に一致することがわかった。解析解を通じて基本場の非等方性度をモデル定数値に反映させ、水表面の効果を取り入れたRSMの数値解析を行った。RSM解析では、水表面修正項を考慮しなくても、Surface-Influenced Layerの厚さは実験値と極めて良く一致することがわかった。また、基本場の特性量と積分長さスケールを用いて整理された水表面近傍での乱れ特性量の挙動は、水深に依らず普遍的に表されることが明らかになった。水表面での気体交換現象に関してもRSMとカップルできる数値モデルの定式化を行った。ただし、その境界条件等の確立については、気体交換現象の定性的、定量的な実験データの収集が不可欠である。そこで本研究では、高精度ポーラログラフィー電極型溶存酸素計とLDVを組み合わせた振動格子乱流気体交換実験システムを開発した。本システムにより、気体交換速度の高精度評価、変動流速と変動濃度の相関等、従来その計測が困難であった特性量の算定が可能になった。今後、本研究の成果に基づいて、気体交換の数値モデルの高精度化と気体交換速度の普遍的定量化について研究をさらに進める予定である。

A general quantification of turbulent flow characteristics and gas exchange velocities near water surfaces is carried out. In this study, it is easy to obtain the theoretical parameters, and the pure turbulence is analyzed. High accuracy of turbulence analysis near water surface and detailed analysis of applicability of turbulence analysis near water surface The equation of force of Launder-Reece-Rodi type is called RSM. The analytical solution of vibrating lattice turbulent potential flow (fundamental field) in infinite water depth is consistent with that of RSM. The analytical solution is based on the inhomogeneity of the fundamental field and the numerical value of the water surface. RSM analysis takes into account the surface modification term, the thickness of the Surface-Influenced Layer, and the consistency of the surface modification term. The fundamental field characteristic quantity and integral length are adjusted according to the water surface, and the characteristic quantity of turbulence is adjusted according to the water depth. The phenomenon of gas exchange on the surface of water is related to the formation of RSM. The establishment of boundary conditions, etc., is indispensable for the qualitative and quantitative integration of the phenomenon of exchange of substances. In this study, high precision electrode-type solutes and LDV were developed. This paper describes the measurement of the temperature, the high accuracy evaluation of the gas exchange rate, the correlation between the dynamic flow rate and the dynamic concentration, and the difficulty in calculating the characteristic quantity. In the future, the results of this study will be based on high-precision quantitative study of gas exchange rate and general quantitative study of gas exchange rate