円錐形状浮体 の送水特性 に関す る実験 的研究
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(2) 円錐形状浮体の送水特性に関する実験的研究 ス,図‑3(b)は. 送 水 管 を 実 験 水 槽 内 に 自 由放 流 と した 自. 1317 表‑1. 3号 機模 型仕 様. 由 放 流 ケ ー ス で あ る.ま た,送 水 管 長 変 化 ケ ー ス は 自由 放 流 ケ ー ス と同 様 の 装 置 で,送 水 管 長 を4ケ ー ス に変 化 させ て 実 験 を 行 っ た.表‑2に 要 を,表‑3に. 送 水 特 性 実 験 の 各 ケ ー ス概. 実 験 に用 い た実 験 条 件 及 び実 海 域 値 を示 す.. 受 水 槽 へ の接 続 ケ ー ス で は 揚 程 及 び波 浪 条 件 を変 化 さ せ,送 水 量 の変 化 を 調 べ た.送 水 量 は,受 水 槽 内 に設 置. 表‑2. 送水 特性 実験 ケ ース概要. した 水 位 計 の変 位 と受 水 槽 の 断 面 積 か ら求 め た. 自由 放 流 ケ ー ス は送 水 管 長 を5.03mと. し,送 水 枡 接 続. ケ ー ス と同 じ実 験 を 行 い そ れ ぞ れ の ケ ー ス の 違 い を比 較 し,送 水 量 の 関係 を 調 べ た. な お,送 水 管 長 変 化 ケ ー ス で は,自. 由放 流 ケ ー ス の結. 果 よ り効 率 の 良 か っ た揚 程 と波 高 を1ケ ー ス に絞 り,周 期 と送 水 管 長 を変 化 させ る こ と で 送 水 量 の変 化 を 調 べ た.. 図‑3(a) 送水 特性 実験 装置 接続 図. 図‑1. 3号 機 模型 図. 図‑3(b) 表‑3. ※6chは 送水枡 接続ケースにの み使用. 図‑2. 送水 実験特 性実 験概 要図. 送水 特性 実験 装置 接続 図 実 験条 件及 び実 海域 値.
(3) 1318. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻. (2008). 3. 解 析 方 法 受 水 槽 接 続 ケ ー ス の 解 析 手 順 と して,図‑4に. 示 す よう. (2). な波 形 デ ー タか ら,送 水 実 験 用 水 槽 内 に設 置 した水 位 計 (6ch)に 着 目 し,そ の 水 位 の 増 加 が 安 定 し始 め た時 をt1, 終 わ りをt2と した.そ. して,そ. の 間 の 増 加 分 △tよ り送 水. 量Qを 求 め,(1)式 よ り送 水 エ ネ ル ギ ー(P)を 求 め た.ま た,沖. 波 に 相 当 す る波 高 計1ch,2chの. 合 成 波 のH1/3,T1/3. を 合 田(1984)の 入 射 波 エ ネ ル ギ ー(Pw)式. に 適 用 して 入. こ こで,u:送 積(m2),B:浮. 射 波 エ ネ ル ギ ーを 求 め,こ の 値 を も とに 送 水 エ ネ ル ギ ー. (cm),Pw:入. 効 率 を算 出 した.ま. (kW),η:エ. た,送. 水 管 中 に取 り付 け た2次 元 電. 磁 流 速 計 よ り送 水 管 内 の 平 均 流 速uを. 求 め,送 水 管 の. 断 面 積A1よ り流 量Qtmを 求 め た.. 水 管 内 の 中 心 流 速(m/s),A:送 体 幅(m),Q:送. 水管断面. 水 量(m3/s),h:揚. 射 波 エ ネ ル ギ ー(kW),P:送. 程. 水 エネルギー. ネ ル ギ ー 効 率(%).. 4. 実 験 結 果 送 水 特 性 実 験 の主 要 な実 験 結 果 を 以 下 に示 す. 図‑5〜 図‑7は 周 期1.25sで,越. 波揚 程 をパ ラメー タに. した 時 の 波 高 と送 水 量 の 関 係 を示 した も の で あ る.受 水 槽 接 続 ケ ー ス の 送 水 量 と して 定 義 したQmとQtmは ほ ぼ 同 様 の 傾 向 を 示 して い る.Qtmの るが,こ. 値 が 若 干 大 き くな って い. れ は受 水 槽 へ の 送 水 の 時点 で 管 の湾 曲 な ど に よ. る エ ネ ル ギ ー損 失 に よ る も の と考 え られ る.し か しな が ら,そ の 値 は 非 常 に 小 さ い た め,ほ い え る.自 図‑4. 送 水 波 形 グ ラ フ例(Sケ. ー ス). ぼQm=Qtmで. あ ると. 由 放 流 ケ ー ス に お い て は送 水 量QtがQm,Qtm. に比 べ 大 き く な って い る.こ れ は,受 水 槽 に接 続 せ ず 自 由 放 流 を行 う こ とで,受. 水 槽 へ の送 水 時 の エ ネ ル ギ ー 損. 失 分 が な くな り,送 水 量 が 増 加 した もの と考 え られ る. ま た,越 波 揚 程 に対 して入 射 波 高 が 高 くな る につ れ 送 水 量 が 増 加 して い る.こ れ は,入 射 波 高 が 高 け れ ば,単 純. (1). に 浮 体 を越 波 す る際 に得 られ る位 置 エ ネ ル ギ ーが 大 き く な る た め で あ る と考 え られ る.. こ こ で,Q:送. 水 量(m3/s),Qm:送. 送 水 量(m3/min),A1:送. 水 量(m3/min),Qtm:. 水 枡 の 断 面 積(cm2),u:送. 水. 管 内 の 中 心 流 速(m/s),△t:t2‑t1,△h:h2‑h1,h1:t1 の と き の6chの P:送. 波 高(cm),h2:t2の. と き の6chの. 水 エ ネ ル ギ ー(kW),Pw:入. ρ:1.0×103(kg/m3),h:越 (m),T1/3:周. 期(s),B:浮. 波 高(cm),. 射 波 エ ネ ル ギ ー(kW), 波 揚 程(m),H1/3:平. 体 長(m),η:エ. 均 波高. 図‑5. 入 射 波 高 と送 水 量(Qm)の. 関 係(Sケ. ー ス). 図‑6. 入 射 波 高 と送 水 量(Qtm)の 関 係(Sケ. ー ス). ネ ル ギ ー効. 率(%). 自 由 放 流 ケ ー ス の 解 析 手 順 は,送. 水 管 中 に取 り付 け た. 2次 元 電 磁 流 速 計 よ り送 水 管 内 の 平 均 流 速 を 算 定 し,送 水 管 の 断 面 積A2よ. り 流 量Qtを. エ ネ ル ギ ー を 求 た .ま を(2)式. 求 め,(2)式. た,lch,2chの. に代 入 し送 水 合 成 波 のH1/3,T1/3. に 代 入 し て 不 規 則 波 の 入 射 波 エ ネ ル ギ ー を 求 め,. こ れ ら の 値 か ら エ ネ ル ギ ー 効 率 を 算 出 し た..
(4) 1319. 円錐 形状 浮体 の送 水特性 に関す る実験 的研 究. 動 に浮 体 が 連 動 し,上 下 動 揺 に よ る入 射 波 の 越 波 量 が 少 な くな るた め で あ る. 図‑11は,揚. 程4cmで 周 期 をパ ラ メ ー タ に した 時 の 波. 高 と送 水 効 率 の 関 係 を示 し た も の で あ る.周 期 が長 く な る に つ れ 送 水 効 率 は減 少 して い る.ま た,入 射 波 高 が 高 くな る に つ れ 送 水 効 率 が 減 少 して い る.こ れ らの 結 果 よ り,周 期 が 長 く波 高 が 大 き くな る に つ れ,送 水 効 率 が 減 少 す る.こ の 原 因 と して2つ の原 因 が 考 え られ る.1つ 図‑7. 入 射 波 高 と 送 水 量(Qt)の. 関 係(Mケ. ー ス). 目. は,浮 体 自 体 が 波 に連 動 し,越 波 量 が 減 少 す る た め,2. 図‑8〜 図‑10は 越 波 揚 程4cmで 周 期 を パ ラ メ ー タ に し. つ 目 は,越 波 はす る もの の,浮 体 の 受 水 枡 に水 が 満 杯 に. た 時 の 波 高 と送 水 量 の関 係 を示 した もの で あ る.越 波 揚. 入 り,入 り きれ な い 量 の 越 波 分 が背 後 へ と流 出 して しま. 程 をパ ラ メ ー タ に した と き と同 様,QmとQtmの. 傾 向が等. うた め で あ る.こ の た め,受 水 枡 の 容 量 を超 え る越 波 が. し い こ と が わ か る.こ の 結 果 よ り,Qm=Qtmで. あ るとい. 見 込 ま れ る場 合,揚. え る.同 様 に,自. 由放 流 ケ ー ス と受 水 槽 接 続 ケ ー ス の 送. 水 量 の比 較 か ら も先 に述 べ た こ と を証 明 して い る.周 期 に お い て,1.25sに. お い て,最. も送 水 量 が 多 く,逆. 期 が 長 くな る に 従 い 送 水 量 は 低 下 して い る.こ. に周. れ は,3. 程 を 調 節 し,受 水 容 積 を増 や す こ と. が 必 要 とな る. 図‑12は 揚 程4cmの. 場 合 の 周 期 を パ ラ メ ー タ に した と. き の 送 水 管 長 と送 水 量 と の関 係 で あ る.ど の周 期 に お い て も ほ ぼ一 様 に 送 水 管 長 が7.28mの 場 合 に送 水 量 が 最 低. 号 機 模 型 の 固 有 周 期 に 関 係 して い る と考 え ら れ る.3号. 値 に な って い る.逆. 機 模 型 の 固 有 周 期 は約3.0s前 後 で あ り,周 期 が 長 くな り. お い て は送 水 量 が0.37m3/minと な って い る.. 3号 機 模 型 の 固 有 周 期 に近 づ く こ とで 共 振 を 起 こ し,波. 図‑8. 入 射 波 高 と 送 水 量(Qm)の. 図‑9. 入 射 波 高 と 送 水 量(Qtm)の 関 係(Sケ ー ス). 図‑10. 関 係(Sケ ー ス). 入 射 波 高 と送 水 量(Qt)の 関 係(Mケ. ー ス). に,周 期1.25s,送. 水 管 長 が2.43mに. 図‑13は 揚 程4cmの 場 合 の 周 期 を パ ラ メ ー タ に し た と. 図‑11. 入 射波 高 と送水効 率 の関係(揚 程4cm). 図‑12. 図‑13. 送水 管長 と送 水量 の関係. 送水 管長 と送水 効率 の関 係.
(5) 1320. 海. 岸. 工. 学. 論. き の 送 水 管 長 と送 水 効 率 と の 関 係 で あ る.周 期1.00sの と き に 最 大 の 効 率 を 得 て お り,管 長9.53mの. 集. 第55巻. (2008). な く(3)式の 線 形 の関 係 が あ る.. と き46.5%. と高 い値 とな っ た. 図‑12,図‑13の. 文. (3) この 関 係 式 を用 い る こ と に よ り,管 内 流 速 値 か ら送 水 流. 結 果 よ り,送 水 管 長 の 変 化 に よ り管 内. 流 が 変 化 し送 水 効 率 が変 化 す る こ と が わ か っ た.ま た, 送 水 管 長 が7.28m(実 海 域 値 約124m)以. 上 で送 水 管 内 の 摩. 擦 抵 抗 に よ り送 水 管 自体 が 逆 止 弁 の役 割 を 果 たす こ とに よ り送 水 効 率 が 上 が る もの と考 え られ る. 図‑14は 送 水 管 接 続 ケ ー ス,揚. 程4cm,波. 量 を を 算 定 す る こ とが 可 能 とな る. 5. 結. 論. 本 研 究 は,種 々 の 水 域 環 境 問 題 へ の対 応 と再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー と して の 波 エ ネ ル ギ ー利 活 用 を め ざ し,円 錐 形. 高8.00cm,. 状 浮 体 を 開 発 し,そ の 送 水 特 性 に つ いて 実 験 に よ り求 め. 周 期1.25sに お け る3号 機 模 型 近 傍 の 入 射 波 と主 流 速 の 時. た.以 下 に主 要 な結 論 を 述 べ る.. 系 列 で あ る.図‑15は. 1) 円 錐 形 状 で あ る た め に 波 向 き に 左 右 さ れ ず 入 射 波 高. 8.00cm,送. 自 由 放 流 ケ ー ス,揚. 水 管 長2.53m,周. 程4cm,波. 高. 期1.25sに お け る3号 機 模 型. と入 射 波 周 期 に よ り送 水 効 率 は 左 右 さ れ る.特 に送 水. 近 傍 の 入 射 波 と主 流 速 の 時 系 列 を 拡 大 した もの で あ る。. 量 は 送 水 管 内 中心 流 速 と浮 体 近 傍 波 高 の 関係 か らわ か. ど ち らの ケ ー ス に お い て も流 速uと 波 高H1/3が ほぼ 同 位 相. る よ う に波 高 と周 期 に よ って左 右 され る.. の 波 形 と な って お り,送 水 量 は入 射 波 の波 高 と周 期 に 関. 2) 浮 体 の 持 っ 固 有 周 期 に波 の 周 期 が 近 づ くに つ れ 送 水. 係 す る と考 え られ る.ま た,自 由 放 流 ケ ー ス にお け る流. 効 率 は低 下 す る.こ れ は,波 動 に 浮 体 が 連 動 す る た め. 速 は 長 周 期 で振 動 して お り,受 水 槽 接 続 ケ ー ス と異 な っ た流 れ が 発 生 して い る と考 え られ る. 図‑16は 受 水 槽 接 続 ケ ー ス に お い て,揚. 越 波 量 が 減 少 す る た め で あ る. 3) 浮 体 の 受 水 枡 の 容 積 の 関 係 上,揚. 程 をパ ラ メ ー. タ に した 時 の 送 水 量QmとQtmの 関 係 で あ る.揚 程 に 関 係. 程 に対 して 高 す ぎ. る波 高 条 件 下 に お い て は受 水 枡 上 を 越 波 して し ま う た め に効 率 が 低 下 す る. 4) 本 実 験 条 件 下 に お い て は,越 8.00cm,周. 波 揚 程4cm,波. 高. 期1.00s,送 水 管 長9.53m時 の 送 水 効 率46.5%. が 最 高 値 と な っ た. 5) 受 水 槽 で 実 際 に 求 め た 送 水 量(Qm)と. 送水 管中心流 速. か ら求 め た送 水 量(Qtm)の 関 係 よ り,自 由 放 流 時 の 放 流 量 が(3)式 に よ り算 定 可 能 と な っ た.し. か し,自 由. 放 流 時 と受 水 槽 接 続 時 とで は管 内流 速 が 異 な って い る こ と が本 実 験 に よ り明 らか と な った た め,今 後,管 図‑14. 入射 波高 と送 水管 中心 流速 の関 係. 内. 振 動 流 の物 理 的 な解 析 を 行 う こ と で よ り正 確 な送 水 量 の 算 定 が可 能 に な る.. 謝 辞:本 研 究 を 行 う に あ た り,東 海 大 学 海 洋 学 部 海 洋 建 設 工 学 科 の学 生 諸 氏 に実 験 等 に協 力 して い た だ い た.こ こに 記 して謝 意 を 表 す.ま. た,本 研 究 は,科 学 研 究 費 補. 助 金 基 盤 研 究(C)(No.18560813)に. よ る成果 で あ る こ と. を付 記 す る.. 図‑15. 入 射 波高 と送水 管 中心流 速 の関係. 参. 考. 文. 献. 小松利光 ・岡田知也 ・中村由行 ・中島信一 ・長谷部崇 ・藤 田和夫 ・ 井芹寧 (1999): 閉鎖性水 域底層への表層水供給 による水質改 善効果, 海岸工学論文集, 第46巻, pp.1111‑1115. 合 田良 実 (1984): 沿岸波 浪の統計 的性 質, 第1回波浪 エネル ギー 利用 シンポジウム, 海洋科学技術 セ ンター, pp.19‑31. 田中博通 ・長津安洋 ・真鍋 安弘 (2004): 浮遊渚 の消波特性 と送水 特性 につ いて, 海洋開発論文集, 第20巻, pp.455‑460. 田中博通 ・長津安洋 ・真鍋安 弘(2005):「 浮遊渚 (円錐形状 浮体) の消波特 性及 び送水特 性 に関す る実験 的研究」, 海 洋開発論. 図‑16. 送 水 量QmとQtmの. 関係. 文集, 第21巻, pp.553‑558. 宮崎武晃 ・矢野賢二(1996): 4.波浪, (近藤編: 海洋 エネル ギー利 用技術), 森北出版..
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