風波砕波下における渦運動の PTV 計測
*近畿大学 理工学部
竹 原 幸 生†
近畿大学 理工学部
江 藤 剛 治
PTV measurements of vortex motion under wind wave breaking
Kohsei TAKEHARA,
Faculty of Science and Engineering, Kinki UniversityT. Goji ETOH,
Faculty of Science and Engineering, Kinki University1 はじめに
海面を通した気体などの物質輸送は，地球規模の 環境を考える上で重要な現象である．著者らはこれ まで海洋での水表面を通した気体輸送現象を解明す るため，高速ビデオカメラと画像計測手法を用いて 風波下の詳細な流れ場を実験的に明らかにしてきた．
風波界面近傍の流れ場を計測しようとすると，界面 が移動するため従来の計測法では計測自身が困難で あった．よって，これまでの研究では界面から十分 に離れた位置での計測結果を基に界面近傍の流れ構 造が議論されてきた1)．
近年，PIV などの画像計測による流速計測法が開 発され，流れ場の計測法の強力なツールとして広く 使われるようになってきた．画像計測の利点の1つ に，水面などの移動する境界近傍の流れ場を計測で きるという点が上げられる．特に，PIVの中でも個々 のトレーサー粒子を追跡する PTV は境界極近傍ま で計測することが可能である．
著者らは PTV により風波界面近傍の流れ場の画 像計測を行ってきた2),3)．これまでの計測結果より，
風波界面に渦が生じ，その渦が下方に移流しながら 合体を繰り返し，そのサイズを大きくしていくこと を明らかにしている4)．しかし，これらの計測では，
風波が砕波しない条件下での流れ場が対象であった．
強風下では風波は砕波し，気泡を多量に含んだ白波 を生じ，大気－海洋間の気体輸送現象を促進させる．
本研究では，風波砕波下の流れ場を対象に高速ビ
デオカメラを用いてPTV計測した．砕波が生じると 大量の気泡を含んだ領域が生じる．画像計測では，
気泡が多く存在する部分はトレーサーの追跡が困難 となり，流速計測が困難となる．今回の計測では風 波砕波により生じた気泡を多く含んだ領域より下の 部分の計測を行った．また計測結果から，著者ら 6) が提案している高精度渦度抽出法である MLS 法を 用いて渦度を求め，渦特性を明らかにした．これま で計測した砕波が生じない場合の風波の渦特性との 定性的な比較結果の一例を紹介する．
2 実験方法および実験装置
図１に実験装置の概略図を示す．実験には風洞水 槽（長さ16m,高さ0.5m,幅0.5m）を用いた．送風装 置によって風を吹かせ，人工的に風波を発生させる ことができる．今回，砕波を発生させるため造波装 置を設置した．端部には，反射波をなくすために消 波装置を設置している．水深は0.32mに設定し，送 風口から 7.5m の位置に計測区間を設定した．平均
風速はU=14.0m/secであった．予備実験により，造
波装置の周波数46Hz（造波周期0.62sec），水深30cm の条件のとき良好に風波砕波が生じたので，今回は この条件に固定して実験を行った．
照明として，イエナオプティック社製8W高出力 YAG レーザーの連続光を使用した．レーザー光は，
2 次元の撮影断面を照射するため，シリンドリカル レンズを用いて，シート状に広げて照射した．トレ ーサーとしてナイロン12粒子（平均粒径80μm，比 重 1.02）を用いた．また，高速ビデオカメラは TM リサーチ社製を使用した．解像度は，640×480 pixel
*〒577-8502 東大阪市小若江3-4-1
†E-mail: [email protected]
〔特集〕注目研究in年会2010 ながれ 29（2010）437 − 439 437
で 250fps まで撮影が可能である．今回の計測では 250 fps，シャッタースピード1/500 secの条件で撮影 を行った．撮影した画像は白黒デジタル画像(8bit) としてコンピュータに記録される．
風波は，波高に比べて波長が長いため，横長に広 く計測する必要がある．2 台の高速ビデオカメラを 波の進行方向に水平に並べ，水表面近傍を拡大して 計測を行った．水面を決定するためにもう1台の高 速ビデオカメラを使用した．3 台の高速ビデオカメ ラは完全に同期が取られている．水面位置の決定に は，水溶性の蛍光染料（フルオレセイン）を用い，
レーザー光によって蛍光を発生させ，撮影した画像 から輝度値の変化が最も大きい部分を水表面とした．
流速計測には著者らが開発したPTVの1つである KC法を用いた5)．KC法では，カルマンフィルター により，次時刻の粒子情報を予測し，χ2検定により 予測粒子情報と実測粒子情報を用いて，同一粒子の 同定を行う．また，得られた瞬時のランダムな流速 分布から渦度を求めるため，著者らが開発したMLS を用いた渦度推定法を用いた6)．
3 実験結果および考察
写真 1 に風波砕波の状況を示す．実線で囲んだ領 域に気泡を含んだ砕波が生じているのが分かる．図 2 には PTV により計測された同時刻の流速分布を示 す．写真１の実線で囲んだ部分には砕波による気泡 が多数含まれており，PTV による流速計測が困難で あるため，流速ベクトルの数が少なくなっている．
その他の領域では，詳細に流速が計測されている.
図 3 には PTV で得られた流速分布より MLS を用い て求めた渦度分布の時系列を示す．風波砕波により 気泡を含んだ部分の渦度は求めていない．図中の矢 印で示すように，砕波先端部分に時計回りの渦が生 じているのが分かる．砕波の通過によって徐々にサ イズを増していく様子がわかる．これは砕波した水 塊が下側の水塊上を滑るように前方に進むため，そ の境界において強いせん断により時計回りの渦が生 じているものと考えられる．気泡を多く含んだ領域 の下に 2，3 個の時計回りの渦が存在する．流速計測 に用いた撮影画像を目視により確認した結果，風波 砕波によって生じた時計回りの渦が気泡を下方に巻 き込む役割を果たしていることを確認した．砕波に よって生じる渦が海中での気泡分布や滞留時間に大 きく影響しているものと考えられ，気体輸送現象に 大きな役割を果たしているものと考えられる．
比較のために，図 4 に，これまで行ってきた砕波
が生じない風波の場合の流速計測結果を示す．以前 の計測においても水表面近傍まで流速ベクトルと良 好に計測できているのが分かる．また，図 5 には渦 度分布の時系列を示す．砕波が生じない場合は水表 面での渦の発生や渦の取り込みは主に波峰の背面で 生じる．また，渦の回転方向も矢印で示しているよ うに反時計周りの渦や時計回りの渦が水表面で生じ，
下方に移流されて行く．砕波発生時に生じるような 波峰近傍での強い時計方向の渦は確認できなかった．
4 まとめ
本研究では，風波砕波により生じる水表面近傍で の渦構造を明らかにすることを目的に，高速ビデオ カメラを用いて PTV 計測を行った．また，PTV に より得られた流速分布図から MLS による渦度推定 法を用いることにより，風波砕波近傍の渦構造を明 らかにすることを試みた．
今回の実験により，風波砕波先端部から時計回り の渦が生じていることが確認された．これは砕波に よって気泡を含んだ水塊が滑るように進み，下部の 水塊との間に強いせん断が生じ，渦が発生している ものである．また，その渦はその場にとどまり，気 泡を多く含んだ水塊を下方に取り込む役割を果たし ていることを目視により観察した．この現象は，砕 波により取り込まれる気泡の粒径や滞留時間に影響 を及ぼすものであり，大気－海洋間の気体輸送に大 きく影響を及ぼすものと考えられる．
図 1 風洞水槽の概略図
風向
消 波 装 置 送 風 循 環 パ イ プ
消 波 装 置 送 風 口
造 波 装 置
送 風 装 置
改良部分
写真 1 気泡発生時の撮影画像
気泡発生部分 風波砕波下における渦運動の PTV 計測
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謝辞：本研究は科研費（20360223）の助成を受けた ものである。
引 用 文 献
1) Komori, S., Nagaosa, R. and Murakami, Y.:
Turbulence structure and mass transfer across a sheared air-water interface in wind-driven turbulence, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 249, (1998) 161-183.
2) 竹原幸生，江藤剛治，前田崇雄，相武克彦：PTV による風波発生時の水表面近傍の気流・水流計 測法，海岸工学論文集，第47巻，(2000) 101-105.
3) 竹原幸生，真木正弘，辻本剛三，江藤剛治，高 野保英：風波発生時における水表面近傍の気
流・水流のPTV同時計測，海岸工学論文集，第 49巻，(2002) 66-70.
4) 竹原幸生, 江藤剛治, 重松孝昌, Vu Truong Son
DAO: 高速ビデオカメラと MLS を用いた風波
界面近傍での渦の時空間挙動の解明, 海岸工学 論文集，第55巻，(2008) 51-55.
5) Takehara, K., R.J. Adrian, G.T. Etoh and K.T.
Christensen: A Kalman tracker for super-resolution PIV, Experiments in Fluids, (2000) S34-S41.
6) 竹原幸生・江藤剛治：MLS を導入した PTV によ る渦度推定法の提案と風波流速場への適用，土 木学会論文集B，Vol.65，No.3，(2009) 151-165.
(cm)
(cm)
図 2 風波砕波発生時の流速分布図 風向
図 3 風波砕波発生時の渦度分布図 水平座標(cm) (cm)
鉛直座標
(1/sec)
(b) t=0.008 sec
(a) t=0.012 (a) t=0 sec
(b) t=0.016 sec (a) t=0 sec
(c) t=0.056 sec
(cm)
(cm) (1/sec)
図5 砕波が生じていない場合の渦度分布図 水平座標
鉛直座標
0 5 10 15 20
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3
10cm/sec
風向
図 4 砕波が生じていない場合の流速分布図 水平座標(cm)
鉛直座標
(cm)
竹原幸生・江藤剛治 439
