越流水による礫群運動の3次元数値解析

Abstract

堰を越流して落下した水流により14, 400個の礫群が運動し, ある堆積形状となる過程の数値計算を行った. 計算では, ３次元固気液多相場の解法(MICS)を利用し, 礫群の運動と越流水の力学的な相互作用を考慮した並列計算を行った. 1個の礫を121個の四面体要素で表し, 気液相の運動方程式から得られた圧力項と粘性項を利用して礫に働く流体力を求める. 礫どうしの接触力は, 礫モデル内部に任意に配置した接触判定球を用いて, DEMにより算出する. 224並列処理により, 逐次計算に対して約50倍の計算速度となった. 計算結果から, 堰を越流した水流により礫が巻き上げられる挙動が再現され, 越流停止後は礫群は洗掘された配置となった. 越流量を増加させると, 最大洗掘深および洗掘範囲が増加するという既往実験と同様の傾向が得られた.

In this study, the local scour behind the weir due to overflows was calculated using three-dimensional multiphase numerical model (MICS). In this method, the shape of a gravel particle is represented by multiple tetrahedron elements, and collisions between gravel particles are treated by the contacts of the multiple collision detection spheres placed inside of the gravel particle. Fluid forces acting on the gravel particle are calculated from the pressure-gradient and viscous terms in the momentum equations for multiphase fields. As a result of the numerical experiments, movements of 14,400 gravel particles due to the overflow were predicted and local scour arose behind the weir. In addition, the scour depth and area become larger when the flow rate is large.