村田　圭児

周囲水の密度分布が異なる場での中層密度流の貫入現象

福嶋　祐介

密度流とは、二種の流体の密度差が起因となり発生する流下・上昇運動であり、自然界においては頻繁に発生している。例として、ダム貯水池に流入する濁水が挙げられる。貯水池に流入した濁水は密度躍層に到達すると、下層流体より小さいものは躍層に沿って進入するという現象が起こる。この現象を中層密度流の貫入現象という。中層密度流を形成する濁水は、躍層の上下流体の中間の密度をもつ。中層密度流のフロント形状は貯水池水の密度分布と濁水の密度、流量の関係によって決まる。本研究では、この中層密度流の貫入現象に焦点を当て研究を行う。中層密度流現象は、塩分濃度により作られた周囲水に中間の密度の塩水を進入させて再現した。実験で得られたデータと理論値とを比較し、流動特性や挙動の違いを解明すること、そして濁水の長期化の改善について混合の方法について比較することを目的とする。
実験は、周囲水と濁水の混合に関する実験及び周囲水や濁水の密度、流入条件を変化させた実験について行った。
実測値において、種々のデータは周囲水と濁水の密度差に左右されることがわかった。密度流先端部層厚は密度差が小さいほど大きな値を示し、移動速度は密度差の大きいものほど速いという結果を得た。先端部形状は密度躍層の条件によって違いが出た。躍層が滑らかに変化する場合には先端部はくさび状に進行し、二層界面の場合は上下非対称で特徴的な膨らみとくびれを呈しながら進行する。
周囲水と濁水の混合攪拌については、両極端の密度の流体を混合することで、全体的に均一となることがわかった。
理論値と実測値の比較では、Kaoの理論式とManinsの理論式を用いた。比較した結果、いずれにおいても実測値が理論値を下回る結果となった。この理由として考えられるのは、実現象と理論との条件の違いである。実現象においては、先端部の形状抵抗、摩擦抵抗、周囲水の混入、逆流などが複雑に作用している。このようなことが理論式の結果よりも実測値の流速が遅くなる原因であると考えられる。
本研究により得られた結果は、周囲水の密度が直線分布の場合、先端形状はくさび状であり、層厚および移動速度は流下するにつれ徐々に減少することがわかった。二層界面の場合は、先端形状は非対称で特徴的な膨らみとくびれを持っており層厚および移動速度は流入直後からそれほど変化しないことがわかった。実測値と理論値の比較では、種々の抵抗を考慮しない限り実現象を説明することは難しいことがわかった。周囲水の混合に関する実験については、混合方法の違いにより混合度合いに差が出ることがわかった。