数値計算結果

図 3-7〜図 3-8に温度成層場に冷噴流を放出させた場合の数値解析結果を示す．時間 ステップは∆t^*=0.05 secの一定間隔とし，解析領域内の流れがほぼ定常に達した3600 ス テップ (t^*=180 sec)まで計算を進めた．

図 3-7は，冷噴流の拡散状況を検討するため，噴流ノズルを含むx-y断面(z^*=0 m)に おけるパッシブスカラーの分布を示す． 

図 3-8は，同断面における温度･流速分布である．図中のカラーコンターは当断面に おける温度分布を示したもので，ベクトルは各点の流速を表し，その点におけるt^*=30sec からt^*=180secまでの平均流速を示す． 

これら解析結果と実験時に撮影した図 3-6を比較すると，放流口近傍における水平流 れから温度差による浮力が支配的になり下降流に変化していく様子が，解析結果にも明 確に再現されていることがわかる．また，x^*=0.50 m付近において温度成層の影響によ

る上向き浮力によるリバウンド流れが起こり，やがてx^*=0.80 m付近から水平方向の流 れに移行していく様子が解析結果においても見ることができる．これらの比較により，

本解析手法は，冷噴流の特徴的な流れである温度差による下降流，温度成層の影響によ るリバウンド流れ，その後の水平流が再現されることが確認された． 

本研究で用いた解析手法の温度成層場への適用性を，実験結果との比較をもとに定量 的に検討する． 

図 3-9 (a)-(d)に水層実験と数値解析における流速 u^*の鉛直分布を噴流ノズルからの

距離 x^*ごとに示す．水層実験における測定結果は記号^■，LES による解析結果を実線で 示す．ここでx^*の値は，放流口近傍のx^*=0.02 m，温度差の影響による下降流が始まる

x^*=0.20 m，温度成層によるリバウンド流れが発生しているx^*=0.60 m，水平流に移行し

たx^*=1.0 mの4測線での結果を示す．スパン方向の位置は，噴流ノズルを含むz ^*=0 m

である．

x^*=0.20 mからx^*=0.20 m(図 3-9 (a), (b))の放流口近傍は，周囲水との速度差に起因す る巻き込み(エントレインメント)により中心軸速度が急速に減衰する領域である．この ような速度減衰は格子より小さい渦スケール(SGS)での乱流拡散現象が重要な役割を果 たすため，その減衰効果が本解析で用いたSGSモデルに適切に現れているかを確認す る必要がある．この点は，微小渦による拡散作用の影響がそれ以降の解析領域全体の拡 散挙動に関わってくるため非常に重要な要素である．

そこで，x^*=0.20 m(図 3-9 (b))における実験と解析の結果を比較すると，両者の差は 10 %程度に収まっている．このことから本モデルは放流口近傍の速度の減衰効果を定量 的にも精度よく再現できることが確認された．

x^*=0.60 m(図 3-9 (c))付近は温度成層の影響によるリバウンド流れの発生する領域で

ある.実験と解析の結果を比較すると，中心軸速度については両者の差は流速計の測定 精度であるu^*=±0.5cm/s程度に収まっていることが確かめられた．リバウンド流れの起 こる水深についても実験と同様にy^*=-0.15 m~-0.25 m付近で発生している様子が現れて いる．水平流に移行したx^*=1.0 m(図 3-9 (d))においては，流速分布が鉛直方向に拡散し ている様子および噴流の中心軸水深ともに，実験と解析結果は良好な一致を見せている．

図 3-10の各図に，温度成層場での冷噴流の拡散における鉛直方向の各運動状態量の

変化の様子を概念図で示す．ここで，各図の横軸はノズル位置からの水平距離を示し，

横軸はそれぞれ，冷噴流の中心軸の水深，同じく鉛直方向の速度，同じく鉛直方向の加

速度（応力）を示す．つまり，上図の変動量の時間についての1 階微分が中図となり，

同じく中図の変動量をさらに時間微分したものが下図となる．この下図では，流体要素 にかかる応力として，浮力と粘性力を色分けして示している．なお，各図の位置(a)はノ ズル位置に相当している．

位置(a)は，水平方向に放出された直後であり，鉛直方向の速度は0である．一方，浮 力については，この位置では周辺流体との温度差が最も大きくなるため最大値を示す．

位置(a)-(b)は，上述の浮力の影響により，徐々に下向きの速度が増加していく．

位置(b)は，冷噴流と周辺流体の温度差がなくなる水深であり，浮力も 0 の中立水深 となる．しかしながら，冷噴流自身は下向きの速度を有しているため，その慣性力によ り，なおも沈降を続ける．

位置(b)-(c)で，それまでとは逆に噴流自身の方がより高い温度となるため，上向きの

浮力を受け，鉛直流速を減衰させながら位置(c)の最下点に至る．

位置(c)-(d)では，逆に上に凸のオーバーシュート現象が起こるが，その振幅は一度め のオーバーシュート現象に振幅に比べて小さいものとなる．

位置(d)-(e)では，徐々にその鉛直方向の運動を減衰しながら，位置(e)の水平拡散領域 に至る．また，この領域では，浮力の影響がほとんどなくなるため，相対的に噴流にか かる力としては粘性力が中心となる．

図 3-6  冷噴流拡散の様子  （温度成層域）

図 3-7  LESによるパッシブスカラーの拡散解析結果

図 3-8  LESによるベクトル分布（ノズル周辺部とリバウンド領域）

-0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05

-0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22

Velocity U [m/s]

Y[m]

LES EXPERIMENT

-0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05

-0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22

Velocity U [m/s]

Y[m]

LES EXPERIMENT

(a) x*=0.02 m                    (b) x*=0.20 m

-0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05

-0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22

Velocity U [m/s]

Y[m]

LES EXPERIMENT

-0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05

-0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22

Velocity U [m/s]

Y[m]

LES EXPERIMENT

(c) x*=0.60 m (d) x*=1.0 m

図 3-9  流速u*の鉛直分布の実験・解析結果の比較

冷噴流の中心軸

鉛直流速

浮力 粘性力

図 3-10  温度成層場における冷噴流拡散過程（概念図）

ノズルからの水平距離

水深鉛直流速鉛直方向の力（加速度）

(a) (b) (c) (d) (e)