博士 （工学 ） 二尸部 佑太
学 位 論 文 題 名
3 次元動的自由水面形状計測技術の開発
(Dynamic image measurements of three‑dimensional free‑surface wave shapes)
学位論文内容の要旨
国 土全 体 が 海 で 囲ま れ る 我 が 国 にお い て 沿 岸 域は 生 活 や 交 通の 場 と し て重 要橡役 割を 担って お り 、 沿 岸 域に 存 在 す る 多数 の 街や 港、 道路の 安全性 を確保 するこ との 重要性 は古く から認 識さ れて き た 。 防 波堤 や 護 岸 を どの 海 岸構 造物 に作用 する波 カの算 出や波 浪に よる海 岸浸食 の定量 的を 評価 は 海 岸 工 学分 野 に お け る最 重 要課 題の ーつで ある。 砕波時 に発達 する 渦や乱 流構造 は水面 下に おけ る 流 体 カ を局 所 的 に 変 動さ せ るた め、 構造物 に作用 する波 カや砕 波に よる底 質の巻 き上げ を定 量的 に 評 価 す るた め に は 、 砕波 の 発生 や砕 波後に 発達す る渦や 乱流構 造の スケー ルおよ び強度 の時 空間 的 を 変 化 を予 測 す る 必 要が あ る 。
砕 波限 界 や 砕 波 下で 発 達 す る流 れ場を 明らか にする ため 数多く の研究 者がそ の調査 に取 り組ん で き た 。 波 形勾 配 （ 波 高 波長 比 ）は 砕波 限界を 見積も るため に古く から 用いら れてお り、経 験的 また は 特 定 条 件下 で 解 析 的 に得 ら れた 砕波 限界式 は対応 条件下 では実 験値 に一致 する。 しかし をが ら多 様 を 海 底 地形 や 構 造 物 形状 を もつ 環境 で波形 勾配の みによ り統一 的を 砕波限 界を与 えるこ とは 困難 で あ る 。 また 砕 波 後 の 水面 形 状遷 移は 砕波形 態とし て特徴 づけら れる 。砕波 形態を 示す目 安と して は 経 験 的に 砕波時 の波形 勾配 や海底 勾配と 波形勾 配の比 であ るSurf Similarity Parameter (SSP)が 用 い ら れ てき た が 、 そ の砕 波 形態 との 関係に ついて の物理 的を説 明は 不十分 であり 、砕波 形態 を示 す 定 量 的を 水面形 状′Sラメ ータは 現在 まで示 されて いをぃ 。砕波 後に 生じる ジェッ トの発 達度 合い や そ の 発 達過 程 か ら 目 視に よ り数 タイ プ程度 の砕波 形態に 分類し 、定 性的を 評価を 行って きた のが 現 状 で あ る。 こ れ ら の 問題 を 解決 する ために は砕波 前後に わたる 水面 形状遷 移やそ の砕波 下で 形成 さ れ る 渦 や乱 流 構 造 と の関 係 を 明 ら かに す る こ と が必 要 で あ る 。
容 量式 波 高 計 は 半世 紀 以 上 も前 から波 浪実験 におけ る水 位計測 に用い られて きたが 、こ れによ る 水 位 の 時 系 列か ら 複 雑 か つ3次 元 的 を 変形 を 生 じ る 砕 波時 の 水 面 変 形を 捉 え る こ とは 不 可 能 で あ る 。 砕 波 水面 形 状 遷 移 を計 測 可能 を計 器が存 在しを いこと が砕波 現象 を解明 する上 でーつ の障 害と 教 っ て い た。 本 研 究 は 固体 ・ 液 体 表 面双 方 に 適 用 可能 を新 たを3次元 表面形 状計測 法を開 発し 、こ れ に よ り 砕波 水 面 形 状 遷移 を 定量 化す ること で砕波 現象解 明に向 けた 新たな 知見を 与える こと を目 的 と す る 。
本 研究 で は1台 のプ ロ ジ ェ ク ター か ら 照 射 す るカ ラ ーパ ターン 照明の 物体表 面にお ける 反射光 を 1台 の デジ タ ル カ メ ラ で撮 影 す る こ とで 物 体 表 面 の3次 元 座 標 を取 得 す る 新た な画像 計測 法を開 発 し た 。 カ ラー パ タ ー ン を照 射 する プロ ジェク ター座 標系、 カラー パタ ーンが 物体表 面にお いて 反射 す る 実 座 標系 、 そ の 反 射光 を 撮影 する カメラ 座標系 の幾何 学的を 関係 をピン ホール モデル に基 づき 決 定 す る 。こ の 計 測 法 では 標 準 誤 差 が計 測 距 離 の0．1％以下 とをる 高い精 度で 物体表 面の3次元 座 標 を 計 測 可能 で あ る 。 白色 微 粉末 を水 中ヘ混 入し、 プロジ ェクタ ー光 の水面 近傍に おける 散乱 光を 動 画 像 撮 影す る こ と で 同一 ア ル ゴ リ ズム に よ り 動 的教 水 面 計 測 へ 適用 可 能 である 。この とき プロ ジ ェ ク ター 光の水 中への 透過 深に起 因する 誤差が 生じる が、 スネル の法貝Uに 基づき 補正を 行う こと
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で 固 体 形状 計 測 と 同 オ ーダ ー の 精 度 で計 測 可 能 で ある 。
開 発し た 計 測 法 を海 岸 工学 分野 におい て一般 的に行 われ る波浪 実験に 適用し た。本 計測 法は複 雑 を 形 状 のた め そ の 波 浪 に対 する変 位や 変形量 の定量 的を評 価が困 難で あった 消波ブ ロック 構造 物の 表 面 形 状計 測 を 可 能 と し、 消 波 プ ロ ック の 飛 散 に よる 変 形 量 や その 分 布を 定量化 するこ とが でき る 。 こ れは 信 頼 性 設 計 法に おける 海岸 構造物 の性能 評価に 有用で ある 。また 平面型 造波水 槽に おい て 模 型 構造 物 周 辺 の 平 面波 浪場の 水位 計測を 行った 。本計 測法に より 、従来 のよう に複数 の波 高計 を 設 置 して 取 得 す る 空 間的 に離散 的を 水位時 系列か らは十 分に説 明で きをか った複 雑を重 合波 浪場 の 水 位 分布 を 詳 細 に 計 測す る こ と が でき る 。
一 様海 底 勾 配 を 持つ2次 元 型 造波 水 槽 に お いて 周期 や波 高、海 底勾配 の異な る規則 波の 砕波水 面 形 状 を 計測 し た 。 本 計 測法 により 取得 した水 面座標 から波 高計に よる 水位の 点計測 では取 得が 不可 能 で あ った 水 面 曲 率 を 計算 できる 。砕 波直前 の波峰 部前面 におけ る水 面曲率 は波の 進行と とも に増 加 し 、 その 砕 波 時 の 曲 率は すべて のケ ースでLonguet‑Higgins（1983)の 示した 水面の 限界形 状の曲 率 と 同 程度 の 値 を 示 し た。 これは 砕波 現象と 水面が 限界形 状に達 する ことに よる動 的不安 定の 関係 を 示 す も の で あ り 砕 波 現 象 の 解 明 に 向 け た 新 た な 視 点 を 与 え る も の で あ る 。 砕 波後 は 砕 波 ジ ェッ ト 着水 後に 形成さ れるフ インガ ージ ェット をど水 面変形 が大き くを る箇所 で 水 面 曲 率が 大 き く を る 。水 面曲率 の分 散の岸 沖方向 変動は 砕波ジ ェッ ト着水 後のス プラッ シュ やそ の 後 のポア の形成 をど水 面形 状遷移 に伴っ て変動 し、砕 波後 の局所 変形を 記述す る′sラメ ータ とし て 適 切 であ る 。 ま た 水 面曲 率の水 面に わたる 積分値 を示す パラメ ータ を用い ること で、砕 波後 の水 面 変 形 の複 雑 さ や3次元 性 を 評 価 で きる 。
水 面の3次 元 形 状は 動 圧 カ を 介し て 水 面 近 傍の 乱 流 構 造 を 反映 す る た め 、砕 波 後 の 水 面変 動 ス ケ ー ル を抽 出 す る こ と は砕 波乱流 の空 間変化 を理解 する上 で重要 であ る。砕 波後の 水面形 状計 測結 果 か ら 水路 横 断 方 向 の 水面 変動の 大き さおよ び間隔 を抽出 し各ケ ース の特徴 を示し た。こ れは 現在 ま で 数 タイ プ 程 度 に 分 類す るのみ であ った砕 波後の 水面遷 移の特 徴を 定量的 に示す もので あり 、砕 波 形 態 を示 す 定 量 的 パ ラメ ー タ を 決 定す る 上 で 不 可欠 を 情 報 で ある 。
砕 波に よ り 生 じ る水 面 の 乱 れ スケ ー ル を 定 量 化す る た め 、 計測 し た 水面形 状から 砕波 フロン ト 部 に お ける 水 面 変 動 の 長さ ス ケ ー ル およ び 岸 沖 方 向速 度 ス ケ ー ルを 水 位分 布から 抽出し た。 砕波 ジ ェ ッ ト着 水 後 に 形 成 され るフイ ンガ ージェ ットに 代表さ れる比 較的 大規模 なジェ ットと とも にこ れ に 先 行し て 変 動 ス ケ ール の異を る小 規模ジ ェット が存在 するこ とを 明らか にした 。大規 模ジ ェツ ト の ス ケー ル は 水 面 下 の渦 が支配 的で ある一 方で、 先行す る小規 模ジ ェット のスケ ールは 噴出 する ジ ェ ッ ト表 面 に お け る 表面 張力不 安定 に起因 するこ とを示 した。 抽出 した水 面上で の乱れ スケ ール か ら 砕 波 ジ ェ ッ ト 規 模 の 異 を る 砕 波 の 水 面 変 化 パ タ ー ン の 差 異 が 抽 出 可 能 で あ る 。 本 研究 で は 固 体 ・液 体 双方 の表 面形状 を計測 可能を 新た 極画像 計測法 を開発 した。 この 計測法 は 任 意 形 状の 物 体 を 高 精 度に 計測可 能で あり、 海岸工 学分野 におい て広 く行わ れてい る波浪 実験 にお け る 新 たを ツ ― ル と し て有 用であ るほ か、自 然災害 による 建設物 の損 傷の高 精度数 値化を はじ め多 様 を 工 学的 応 用 を 可 能 とす るもの であ り、海 岸工学 に大き く寄与 する もので ある。 さらに 本研 究で は 従 来 まで の 方 法 で は 計測 が不可 能で あった 遷移的 砕波水 面形状 パラ メータ を決定 すると とも に、
砕 波 現 象の 発 生 や そ の 後の 渦 ・ 乱 流 構造 の 発 達 メ カニ ズ ム の 解 明に 大 きく 寄与す るもの であ る。
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学位論文審査の要旨 主査 副査
副査 副査
准教授 教授 教授 教授
渡部 山下 泉 田中
学 位 論 文 題 名
靖憲 俊彦 典洋 洋行
3 次元動的自由水面形状計測技術の開発
(Dynamic image measurements of three‑dimensional free‑surface wave shapes)
沿 岸 域 に お いて 波 浪 は 砕 波に 伴 い 複 雑 を3次 元 的 変形 を生じ ，水面 下では 複雑に 発達 する乱 流構 造が形 成さ れる． この砕 波乱流 は底 質の巻 上げや 輸送を 通して 海浜 変形を 支配す る．砕波波浪の周囲 の 物理 環 境 へ の 影響 を 定 量 的に 評価 するた めには 砕波条 件や砕 波後 の水面 変形お よび乱 流構 造を明 らかに する ことが 不可欠 である ．
100年 以上 に 亘 る 研 究に も 関 わ ら ず 砕波 現 象 を 工 学的に 取扱う 上で多 くの 問題が 残され ている ． 主 教問 題 として （1）砕波 の発生 メカ ニズム が未解 明であ り地形 や構 造物の 影響を 受ける 多様 を環境 で の統 一 的 砕 波 限界 は 示 さ れ て いを ぃ ． 次 に(2)砕 波後 の波高 変化や 乱流を 含む流 れを 見積も るた め 砕波 の 初 期 水 面形 状 を 定 量的 パラ メータ として 砕波後 の水面 変形 や流れ 場を特 徴づけ る必 要があ る が， 現 状 で は 砕波 後 の 水 面変 形の 特徴か ら目視 により 数タイ プの 砕波形 態に分 類する 定性 的を評 価 を行 っ て い る ．ま た(3)砕波 下 の 乱 流 構造 を 直 接 計測 可能を ツール がなく その発 達過 程が未 解明 で ある ． こ れ ら 問題 の 解 決 には 時空 間的に 大きく 変動す る砕波 時の 水面形 状や流 れ場の 詳細 を調査 が必要 とを る．
本研 究は砕 波水面 形状を 計測 可能な 新たを 面的水 面形 状計測 法を開 発し， 上述の 問題を調査，解明 す るも の で あ る ．従 来 唯 一 の 水 面計 測 手 段 で あっ た 波高 計によ る離散 点の水 位時 系列か ら砕波 の3 次 元か つ 遷 移 的 な形 状 を 捉 える こと は不可 能であ り，本 計測法 によ り初め て取得 できる 砕波 水面形 状 の時 空 変 化 は 砕波 メ カ ニ ズム の解 明や砕 波形態 の定量 的評価 に向 けた新 たを知 見を与 える ととも に ，動 圧 カ を 介 し水 面 直 下 の流 れ場 を反映 する水 面形状 遷移の カ学 機構を 解明す るため の基 本物理 量を提 示す る，
開 発 し た 計 測技 術 は 画 像 計測 に よ り 固 体・ 液 体 双 方 の3次 元 表 面 形 状の 面 的 を 決 定を 可 能 と す る ．本 計 測 法 は 固体 表 面 に 対し 標準 誤差が 計測距 離の0.1%以下の 高精度 で計 測可能 であり ．また 水 面 計測 に お い て 生じ る 誤 差 を新 たに 提案す る補正 方法に より固 体計 測と同 オーダ ーの精 度の 計測が 可 能と を る ． 本 計測 法 は 多 様を 形状 ・スケ ールの 対象に 適用可 能で あり工 学的に 広く応 用が 考えら れる．
海岸 工学分 野での 応用と して ，波浪 水槽実 験に本 計測 法を適 用し， 既往の 計測技 術では評価できな か った 構 造 物 周 辺の 複 雑 を 波浪 場や 波浪に よる構 造物変 形量を 面的 に計測 可能と なった ．こ れは波 一 構 造 物 相 互 作 用 の 詳 細 を 調 査 を 可 能 と し ， 研 究 ， 実 務 両 面 に お ぃ て 有 用 を ツ ー ルと を る ． 開 発 し た 計 測法 に よ り 砕 波水 面形状 遷移の 定量化 に成 功した ．本計 測法に より初 めて 取得可 能と
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