著者 村井 祐一, 大野 泰, Abdulmouti Hassan, 山本 富 士夫

気泡を用いたオイルフェンスの流体力学的特性 ─ 海上重油流出被害の軽減を目的として─

著者 村井 祐一, 大野 泰, Abdulmouti Hassan, 山本 富 士夫

雑誌名 福井大学地域環境研究教育センター研究紀要 「日

本海地域の自然と環境」

巻 7

ページ 63‑68

発行年 2000‑11‑01

URL http://hdl.handle.net/10098/7792

福井大学地域環境研究教育センター研究紀要

「日本海地域の自然、と環境j No 7, 63-68, 20∞

気泡を用いたオイルフェンスの流体力学的特性

一海上重油流出被害の軽減を目的として一

1 

F1uid Dynamic Characteristics of Oil Fence Using Air Bubbles  1n order to reduce the damage of heavy oilleakage at sea‑

村井祐ーペ大野泰村，

Abdulmouti Hassan * * ，山本富士夫*

*)福井大学工学部

* 

ロシアタンカー「ナホトカ号 j の重油流出事故から 3 年半が経過した.今では，完全に元の自然が 取り戻されていると言えよう.ここまでくるには，地元の人々(福井県だけで約 31 ，000 人のボランテ イア登録数) ，全国からの義援金 (7 億 6 千万円)，自治体，国，企業技術者や研究者の多くの方のご 苦労(図 1 参照)があり，その経過は様々な事故の報告書にまとめられている(1)ところで，ナホト カ号では C 重油が約 5000 キロリットル漏洩したが，この規模の流出事故は，世界全体で， 2 年に 1 度の割合で発生している. 非常に残念なことであるが，大規模な事故の 4 害1] が意図的，すなわち戦争 や民族紛争が原因となっている. また 1 キロリットル程度であれば，日本国内だけで年間 200 回の 割合で発生している.商用船からの漏洩というよりも，石油を扱う工場から河川や海への流出の割合 が多い.ほんの少量の泊でも，水面では 1mm 以下の厚さで広く表面を覆い，自然環境，生態系，湾 岸工業施設に多大な被害をもたらす.従って，細心の注意を払った油の管理が必要であることは周知 のとおりである

図1.冬場の荒波に手こずる作業者(三国) 図 2. オイルフェンスの引き上げ

さて，本報では，著者らが遂行中の気抱を用いたオイルフェンスの技術について報告する.オイル フェンスとは，タンカーから漏洩する油が潮流や波によって拡散しないように，水面に浮かせる障害 物である.通常は，円筒状の浮きをゴムやビニールで、製作したもので，直径が約 40cm ，長さが数百 m 程度ある(図 2 参照) .製造者は，自転車や自動車のタイヤメーカーが中心となっている.

(キーワード:オイルフェンス，油流出事故，気泡，表面流，数値シミュレーション，モデ、/レ実験)

* 

料 Graduated School of Engineering, Fukui University 

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村井祐一・大野 泰・ AbdulmoutiHassan .山本富士夫

2. 既存のオイルフェンスの問題点

冬場の日本海での重油流出事故では，季節風により海上での波が荒く，既存のオイルフェンスでは 油の拡散を防止するという目的が十分に機能しなかった.また，オイルフェンスの直径を 2 倍にした としても，浮遊させて利用するという原理により，あまり改善が期待できない.ここでは，まず既存 のオイルフェンスの問題点を整理する.

( 1 )波浪により油がオイルフェンスを越えて流出する.海洋や沿岸部では強風のため波高が増すこ とが多く，直径の小さいオイルフェンスでは，波とともに表面に浮遊する油質・油膜がオイノレ フェンスを越えて外部に流出してしまう.

( 2 )オイルフェンスにオイルが付着する.流出油が海洋表面に長時間漂流すると，揮発性成分が蒸 発し高粘度のゲ、ル状となって海洋表面を皮膜のように覆う.この油の皮膜はオイルフェンスに 接触すると付着してしまい，オイルフェンス周囲は厚い皮膜の油で覆われてしまう.この結果，

オイルフェンスの上下両方から油膜が回り込み 外部に流出する.また波浪がある場合では付 着した油の皮膜をさらに外部に漏洩させることになる.

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盟圃圃圃圃園田

図 3. 東京湾タンカ一座礁事故(1999)  図 4. オイルフェンス性能の確認実験

3. 気泡吹込式オイルフェンスの実験

以上の問題点を解決する一つの方策として，気泡吹込式オイルフェンスがある 大気中のガスをブ ロアーで水面下 50cm 程度の深さに吹込み，浮力によって誘起される自然対流を利用するものであ る気泡は水面に浮上するまでの間，水を鉛直上方に加速し続け，水面に到達すると気泡が消滅して，

水の流れだけが残る.この水の流れは，水面で急激に向きを変えて，水平方向に流れる"表面流 11(surface  flow) となる.表面流は，表面に浮遊する油を強制輸送させ，これによってオイルフェンスと同等あ

気泡を用いたオイルフェンスの流体力学的特性

るいはそれ以上の効果を生む.単に，表面流を発生させるだけであれば，上向きの水噴流や水平水噴 流を利用することも可能であるが，このような水噴流の場合では，周囲の水との速度差により強いせ ん断力が発生して乱流状態となり ， 噴流の運動量は水面下で拡散してしまう.気泡吹込式の場合では，

浮力が持続的に作用するため，水面に到達してから最大流速を呈する. 従って，水面近傍に，薄くて 高速の表面流を集中的に誘起し，動作効率が良い.

図 3 は， 1999 年の東京湾におけるタンカー座礁事故での油の拡散の様子である.図中で (a) はタン カーの航空写真， (b) は流出する油の写真(画像処理による強調処理でわかりやすくしてある)， (c)  は油の拡散規模を示した地図である.東京湾内では，船舶の航行数が多いこと，海面下で複雑な乱れ が含まれ，油の拡散が早いことが問題であった.三国の場合でも東京湾の場合でも，火災事故の誘発 や不揮発成分の沈殿による生態系への影響は深刻であるため，事故後，早急な拡散防止と回収をしな ければならない.

図 4 は，オイノレフェンスの性能に関する確認実験である.これは著者らが実験室モデ、ノレで、行ったも ので，図 5 に示す長さ1. 8 m の縮小モデ、ル実験装置による.図 4 で， (a) は左から右に伝播する表面 の波によって，油が右側に進行していく様子を捕らえたものである.ここでは油を模擬した直径 1.5mm の発泡スチロール粒子により，漂流の様子をわかりやすく可視化している. この発泡スチロールは水 中における振動数 50Hz 以上の乱流成分を除き，油と同じ運動をすることが理論的に確認されている.

図 4 (b) では，オイルフェンスを模擬した円筒を設置したときである.この円筒は，実際のオイルフ ェンスと同様に波による上下運動を許すように支持されている.この場合では，波が円筒に衝突する たびに，粒子が円筒を飛び越えて，右側に流出する. (c) では，気泡吹込を行った場合の粒子の分布 を示す. 円筒が設置されてなくても，全ての粒子は右側に流出せず，気泡吹込部の直前で停止してい る.これは気泡が作り 出す表面流の効果そのものである. (d) では円筒を布設したが，円筒の有無に 関係なく粒子の拡散が妨げられている.

C ase 

2  3 

Partlc1e Hopper  CCDCamera  PIV‑Exp.l  Arearor PTV申Exp.1

図 5. 表面流の PTV 計測実験装置 表 1 . 気泡吹込条件

Bubble  Gas flow rate  Void  bubble rise  radius  per 1 meter  企achon ve10CI/tsy)   R(mm)  Qg (m'!sm)  α( ー) U.(m 

2.02 

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ーーー E-Lmodel Experirnent  0.1  0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  0.8 

Horizontal distance x (m) 

0.9  (b) Time‑averaged surface 刊 owvelocity profile 

for three cases 

図 6. 表面流の計測結果・数値予測結果

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村井祐一 ・大野 泰・ AbdulmoutiHassan .山本富士夫

なお， (C) および (d) では，表面流による消波効果も含まれている すなわち，波とは，水面近傍の 流体が楕円運動することによって伝播するものである.ここに表面流が重ねられると，楕円運動が相 殺され，波の伝播が消失する.この結果，漂流物質の拡散はさらに抑制される.

図 6 は，図 5 の実験装置によって得られた表面流の流速分布である.左端が気泡吹込部である.気 泡吹込条件の詳細は表 1 に示した.この中で気泡半径 R は，気泡発生装置近傍を撮影した画像から の NIH-software による画像計測から求められたもので，個々の気泡の水平方向，鉛直方向長さを自動 計測して相当半径を算出した.どの条件も， 300 個以上のサンプリング、を行っている.気泡半径の標 準偏差は，いずれも平均気泡径の 10'" 15%程度であった.図 6 (a) は Case 1 における瞬時 PTV 計測 結果の例，下段 (b) はその時間平均分布である.表面流は，気泡プルーム中心から加速過程，ゆるや かな減衰過程，壁面での減速過程の 3 つの区聞から成る.図中で太線は数値シミュレーションによる 予測結果である 数値シミュレーションでは， Euler-Lagrange モデルという気泡流の高精細解析プロ グラムロ)を用いており，気泡径の分散も考慮、されている.この結果より，数値シミュレーションと実 験が比較的良い一致を示しているため，以下では数値シミュレーションのみの結果から，気抱による オイルフェンスの効果について紹介する.

4. 数値シミュレーションによるオイルフェンス効果の研究

図 7 に，表面の応力条件の異なる場合の流動予測結果を示す.この図は，初期に鉛直方向に濃淡を 付けた液体が，対流によってどのように輸送されるかを示したものである.同図で (a) は，先までと 同じ自由表面の場合， (b) は界面を薄い油の皮膜で、覆った場合である. (b) の具体的定義は，気液界面 に対して接線方向に Non-Slip 条件，法線方向に速度勾配ゼロの条件を与えることである.このとき，

界面の鉛直方向の変位は許されるが，接線方向の流動には摩擦抵抗が作用する.なお，皮膜は十分に 薄いものとし，その質量と肉厚は無視されている.また，気泡は皮膜を通過して外部に放出されるも のとする. (a) と (b) を対比すると， (b) の場合に次のことが言える. (1)気泡吹込による液体上昇噴流 は，界面で折り返り，斜め下方に向かう対流を作る. (2) 界面近傍で流れが生じず，全体の対流の規 模が小さい. (3) 界面で大きな渦度が生成されるために，気泡吹込部近傍だけで運動量が散逸する.

このように，界面のせん断応力条件は気泡の誘起する対流に大きな影響をもたらすことが確認でき る.一般に，自然対流では境界条件の影響を敏感に受けて内部流動様式が決定するが，気泡吹込式で

(a)  Free _sur布ce (b) _Sur向ctantsurface 

図 7. 表面流の構造の違い (重油被膜の有無) 図 8 . 表面流の三次元構造

気泡を用いたオイルフェンスの流体力学的特性

も同様な性質をもっと言える.

次に， Euler-Lagrange モデルを用いた表面流の三次元解析を行い，結果の一例を紹介する.図 8 は，

直方体容器内部の底部中央から気泡を発生させた場合の液相運動エネルギーIULI'/2の等値面である.

気泡発生開始後， 120s が経過したときのもので，流れは十分に定常に達している.容器サイズは 1m

x 1m x 0.5m で，水面高さは H=O.4m である.格子分害1) 数は 64 x 64 x 32 である.気泡半径は R= 1.0mm ，ボイド率は α=0.04 ，気泡吹込流量は， Qg=3.0 x 10・'m³/s である.

図 5 のような二次元的に拘束された流れに比べて最も顕著な相違点は，表面流が気泡吹込部を中心 に放射状に形成される際に，周期的な流速のうねりが現れることである.このうねりは，図 7 (a) で 示した自由表面付近での渦運動の三次元版と考えられるが，放射状である故に，その半径方向の移動 速度が下流ほど低下する.従って， 渦は自由表面下部に潜り込み，内部に大きな乱れを与える.また，

気泡分布自体の三次元的揺動運動の寄与もあり，表面流速は広範囲にわたり大きな変動成分を伴うも のとなる.

5 . 気泡を用いたオイルフェンスの付帯的特性

(1) 荒波が減衰する

気泡の浮力により，海洋表面 lこ強し、海水の表面流を形成させることができることを述べた.この表 面流は布設されたオイルフェンスの方向に対して垂直に流れるもので，オイルフェンスに接近して横 断しようとする波を減衰させる効果が得られる.形成される表面流の運動エネノレギが渡浪の運動量よ

りも大きい場合では，オイルフェンスに渡が接近する前に完全に消波される.表面流が弱し、場合でも，

オイルフェンスを越える波のエネルギを大幅に減少させ，表面の浮遊油の拡散を減らすことができる.

なお，消波効果は気泡によって誘起される表面流だけの効果に限らず，気泡含有領域での平均密度の 低下や気泡の運動特性に依存した乱流変動の効果も重複しており，全体として波の伝播の形態が変化

させられ，波高が減少する.

(2) オイルが付着しない

気泡により誘起される表面流はオイノレフェンスと垂直方向に流れるもので，海洋表面の漂流油はオ イルフェンス近傍でオイルフェンスから遠ざけられるように流れる.このため油がオイノレフェンスに 接近しないようになり付着が防止される.オイルフェンス周囲に油が集積しなくなれば，オイノレフェ ンスの性能自体も正常に維持されるほか，波浪によって海水がオイルフェンスを跨いでしまうことが あっても，油自体はオイルフェンスを越えなくなる. なお，吹き込んだ気泡が皮膜固化した泊の下部 に蓄積すると，浮力によって油の層を隆起させオイルフェンスより高く持ち上げられるという恐れが あるが，油膜がオイルフェンスに接近しないため幸運にもこのような心配をしなくてもよい.

(3) 油の積極的回収・自動制御

オイルフェンス周りに形成される表面流によりオイルフェンスに油が付着しなくなるという気泡吹 込式の基本的効能は，オイルフェンスを移動させれば漂流油を積極的に回収することができるという 技術につながる.ナホトカ号事故で利用された方法は，回収船がオイルフェンスを強引に移動させ，

集積した油を吸引器で吸うというものであったが，気泡カーテン式の場合ではオイルフェンスを汚す ことなく表面流を利用して油を目的の場所に集中させることができる.また気泡カーテンの浮力をう まく利用すれば，オイルフェンス移動のための推進力を与えることも可能で， リモートコントロール 制御を併用すれば油が浮遊するエリアにオイルフェンスを即座に移動させ短時間で回収するなど，作 業の高効率化が可能となる.このような制御は，火災発生時や毒薬流出，特殊港湾施設(例えば原子 力発電所や化学処理施設など)の保護など，緊急を要する場合に重要だろう.

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村井祐一・大野 泰・ AbdulmoutiHassan .山本富士夫

6. まとめ

重油流出事故の際の油の拡散防止技術として，気泡を用いたオイルフェンスの機能について述べた.

今後は，実用化試験等を踏まえ，さらに研究を継承していく予定である. なお，本報告は， AS恥伍 Fluids Engineering Division  Summer Meeting‑2000 (Boston)  [アメリカ機械学会流体工学部門講演会]において 著者の一人が講演発表した内容(吋ミら抜粋したものである.技術的質問については，下記文献のうち 著者らの報告川 10)を引用して頂くか，著者に直接，問い合わせ願いたい.

く参考文献>

(1) ロシアタンカー油流出事故災害記録誌編集委員会編， 1998:  ロシアタンカ一重油流出事故災害の 記録と教訓，福井県県民生活部消防防災課.

(2) 村井祐一・松本洋一郎・宋向群・山本富士夫， 1998: 気泡の浮力によって形成される乱れの構造の 数値解析，日本機械学会論文集， B, 64-626, pp.3257・3262.

(3) 原・ほか， 1987: 気泡噴流型油拡散防止装置の基礎的研究，関西造船協会誌， 186，pp.133‑138  (4) Yuichi MURAI, Abudul M. HASSAN, Yasushi OHNO, Iunichi OHTA, and F吋 io Y AMAMOTO, 2000: 

Two‑Phase Flow  Induced  by a Bubble  Plume  in  the  Vicinity  to  a Free Surface, P昨ro∞c. AS恥伍 F日lu凶id必s  Engineering Division Summer 恥M化eeti泊ng.之000α/CD-ROM， FEDSM-11275, pp.l ・6.

(5)AM ハッサン・山本富士夫・村井祐一 ・小林康宏， 1997: 気泡カーテン型オイルフェンスの開発研究，

第 25 回可視化情報シンポジウム講演論文集 Vo1. 17， Suppl.1, pp.239‑242. 

(6)AM ハッサン・村井祐一・太田淳一・山本富士夫， 1998: 気泡カーテン周りの流動の PIV 計測と数値 解析，日本機械学会北陸信越支部第 35 期総会講演会論文集，機講論 NO.987・ 1 ， pp.83・84.

(7) 大野 泰・村井祐一 ・ AM/\")サン ・太田淳一 ・山本富士夫， 1998: 気泡カーテンによる表面流形成の 数値解析，第 12 回数値流体力学シンポジウム講演論文集， pp.235 司236.

(8)AM /\")サン ・村井祐一・太田淳一・ 山本富士夫， 1999:  気泡カーテンによって誘起される表面流の PIV 計測，第 27 回可視化情報シンポジウム講演論文集 Vo1.l 9，Suppl.l., pp.239‑242. 

(9)AM ハッサン ・村井祐一 ・太田淳一・山本富士夫， 1999: 水面と干渉する気泡流の PIV 計測，可視化 情報， Vo1.l9, Suppl.No.2 (可視化情報全国講演会講演論文集) pp.209・210.

(lO)Yuichi MURAI, Yasushi OHNO, Abudul M. HASSAN, Iunichi OHTA, Fujio YAMAMOTO, 1999:  Numerical  Prediction  of Horizontal  Surface  Flow  Generated  by Bubbles, Proc.  Asian  Symposium  on  Multiphase Flow (AS恥1F'99) (Edit.K.Ohba)  pp.45‑50.