垣内　浩志

中層密度流の挙動に関する室内実験と数値計算

細山田　得三


　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数値計算から得られる結果とを比
較し、流動特性や挙動の違いを解明することを目的とする。

　実験は、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、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。

　数値計算と実測値の比較では、ＳＯＬＡアルゴリズムを用いた流れの直接数値シミュ
レーションを行った。比較した結果いずれにおいても実測値が計算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、実現象と数値計算との条件の違いである。実現象に
おいては、流入時の状況、躍層の状態、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、周囲水の状態が二層界面の場合、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の一定区間は以降はそ
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、種々の条件を考慮しない
限り実現象を説明することは難しいことがわかった。