JP6830041B2 - Wave-making experimental equipment and method - Google Patents
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Description
本発明は、造波実験装置および造波実験方法に関し、さらに詳しくは、所望の段波波高を有する段波を簡易な制御で再現することができる造波実験装置および造波実験方法に関するものである。 The present invention relates to a wave-making experimental device and a wave-making experimental method, and more particularly to a wave-making experimental device and a wave-making experimental method capable of reproducing a bore having a desired bore height with simple control. is there.
津波の多くは海底地震による断層運動により発生し、水平スケールでは数十〜100kmの範囲で数mの海面の変位が生じて海域全体に津波として伝播していく。津波の周期は数分から数十分と非常に長く、津波の進行方向先端が海底勾配の非常に緩やかな浅海域に到達すると急激に波高が増加して進行方向先端部には分散波を含んだ波状段波が発生する。波状段波が発達して砕波限界をむかえると、波状段波の先端部が砕波し、砕波段波となる。 Most of the tsunamis are generated by fault movements caused by submarine earthquakes, and on a horizontal scale, displacement of the sea surface of several meters occurs in the range of several tens to 100 km and propagates as a tsunami throughout the sea area. The period of the tsunami is very long, from several minutes to several tens of minutes, and when the tip of the tsunami reaches a shallow sea area with a very gentle seafloor gradient, the wave height increases sharply and the tip of the tsunami contains a distributed wave. A wavy bore is generated. When a wavy bore develops and reaches the breaking limit, the tip of the wavy bore breaks into a breaking bore.
本発明者らは、津波波形の進行方向先端部分の立ち上がり波形(段波)と後に続く周期の長い水位変化を連続的に造波して、実際の津波に近い波を再現することができる造波装置および造波方法を提案している(特許文献1参照)。この造波装置によれば進行方向先端部に分散波を含んだ波状段波を造波することができる。この造波装置は、波高センサによる検知データおよび予め決定された波形データに基づいて、貯水部の仕切り板の上下移動を制御するフィードバック制御を行っている。 The present inventors can continuously generate a rising waveform (bore) at the tip of the tsunami waveform in the traveling direction and a subsequent long-period water level change to reproduce a wave close to an actual tsunami. We have proposed a wave device and a wave-making method (see Patent Document 1). According to this wave-making device, it is possible to generate a wavy bore containing a dispersed wave at the tip in the traveling direction. This wave-making device performs feedback control that controls the vertical movement of the partition plate of the water storage unit based on the detection data by the wave height sensor and the waveform data determined in advance.
ところで、段波に含まれる分散波の分散第1波波高(進行方向最先端の分散波の波高)は、造波装置の貯水部の水を流出させるゲート(仕切り板)からの離間距離に応じて変化することが知られている。従来の水理実験では、分散第1波波高が所望の波高となる実験位置(ゲートからの離間距離)を特定するために、実験を行う前に、波高計の設置位置を変えながら造波を繰り返し行う必要があった。それ故、波高計や測定対象物等を適切な実験位置にセッティングするために多くの工数と時間を要していた。 By the way, the dispersed first wave height (the height of the most advanced dispersed wave in the traveling direction) of the dispersed wave contained in the bore depends on the distance from the gate (partition plate) that discharges the water in the water storage part of the wave-making device. Is known to change. In the conventional hydraulic experiment, in order to specify the experimental position (distance from the gate) where the dispersed first wave height becomes the desired wave height, wave generation is performed while changing the installation position of the wave height meter before conducting the experiment. It had to be repeated. Therefore, it takes a lot of man-hours and time to set the wave height meter and the object to be measured at an appropriate experimental position.
本発明の目的は、所望の段波波高を有する段波を簡易な制御で再現することができる造波実験装置および造波実験方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a wave-making experimental device and a wave-making experiment method capable of reproducing a bore having a desired bore height with simple control.
上記目的を達成するため、本発明の造波実験装置は、堰部が内部に配置されて幅方向寸法が一定の水槽と、この水槽の内部に前記堰部に対して水槽の長手方向に間隔をあけて設置される貯水部と、この貯水部の前記堰部側の面を構成する仕切り板と、この仕切り板と前記堰部との間に形成された造波区間と、この仕切り板を上下移動させる移動機構と、この移動機構の上下移動を制御する制御部とを備えて、前記造波区間に所定水深の水が存在する状態で、前記仕切り板を上方移動させて前記仕切り板の下端と前記水槽の底面との間に形成した開口から前記堰部に向かって流出させた前記貯水部の中の水によって前記造波区間に段波を発生させる造波実験装置において、前記造波区間に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高と、この時に前記貯水部に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高とが等しいと仮定して、前記貯水部において前記段波波高を発生させるために必要な水の流入量Qbを算出する下記(1)式と、前記開口を通過して前記貯水部から前記造波区間に流出する水の流出量Qgを算出する下記(2)式とが記憶された演算部を有し、前記造波区間に所望の段波波高Hbを生じさせる際に、前記演算部に入力された前記段波波高Hbを前記(1)式および(2)式に代入して算出された前記流入量Qbと前記流出量Qgとが等しくなる前記仕切り板の上方移動量が前記演算部により特定され、特定された前記上方移動量で前記制御部により前記仕切り板を上下移動させる構成にしたことを特徴とする。
ここで、Bは前記水槽の幅寸法、gは重力加速度、h0は前記開口を形成する前の前記造波区間の所定初期水深、h2は前記貯水部における初期水深、aは前記仕切り板の前記水槽の底面からの上方移動量、Cは流量係数であり下記(3)式により算出される。
ここで、CCは縮流係数、h1=Hb+h0である。
In order to achieve the above object, in the wave-making experimental apparatus of the present invention, a water tank in which a dam portion is arranged inside and the width direction dimension is constant, and a water tank inside the water tank are spaced from the dam portion in the longitudinal direction of the water tank. A water storage unit that is installed with a gap, a partition plate that constitutes the surface of the water storage unit on the dam portion side, a wave-making section formed between the partition plate and the dam portion, and this partition plate. A moving mechanism for moving up and down and a control unit for controlling the up and down movement of the moving mechanism are provided, and the partition plate is moved upward in a state where water having a predetermined water depth exists in the wave-making section to move the partition plate upward. In a wave-making experimental device that generates a step wave in the wave-making section by water in the water storage part that flows out from an opening formed between the lower end and the bottom surface of the water tank toward the dam part, the wave-making It is assumed that the positive step wave height in which the water level increases with respect to the initial water depth generated in the section is equal to the negative step wave height in which the water level decreases with respect to the initial water depth generated in the water storage section at this time. water flowing out with the following equation (1) for calculating the flow rate Q b of the water required to generate the stepped wave height in the reservoir, from the reservoir through said opening to said wave-period It has an arithmetic unit in which the following equation (2) for calculating the outflow amount Q g of the water is stored, and is input to the arithmetic unit when a desired step wave height H b is generated in the wave-making section. by the stepped wave height H b (1) and equation (2) upward movement of the partition plate assignment and the inflow amount Q b which is calculated with the outflow amount Q g is equal to expression the arithmetic unit It is characterized in that the partition plate is moved up and down by the control unit with the specified and specified upward movement amount.
Here, B is the width dimension of the water tank, g is the gravitational acceleration, h 0 is the predetermined initial water depth of the wave-making section before forming the opening, h 2 is the initial water depth in the water storage portion, and a is the partition plate. The amount of upward movement from the bottom surface of the water tank, C is a flow coefficient, which is calculated by the following equation (3).
Here, C C is the
本発明の造波実験方法は、幅方向寸法が一定の水槽の内部に、この水槽の長手方向に間隔をあけて堰部と貯水部とを配置して、この貯水部の前記堰部側の面を構成する仕切り板と前記堰部との間に造波区間を形成し、前記造波区間に所定水深の水が存在する状態で、前記仕切り板を上方移動させて前記仕切り板の下端と前記水槽の底面との間に形成した開口から前記貯水部の水を前記堰部に向かって流出させ、この流出させた水によって前記造波区間に段波を発生させる造波実験方法において、前記造波区間に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高と、この時に前記貯水部に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高とが等しいと仮定して、前記貯水部において前記段波波高を発生させるために必要な水の流入量Qbを算出する下記(1)式と、前記開口を通過して前記貯水部から前記造波区間に流出する水の流出量Qgを算出する下記(2)式とを演算部に記憶させておき、前記造波区間に所望の段波波高Hbを生じさせる際に、前記演算部に前記段波波高Hbを入力することにより前記(1)式および(2)式に代入して、算出した前記流入量Qbと前記流出量Qgとが等しくなる前記仕切り板の上方移動量を前記演算部により特定し、特定した前記上方移動量で前記仕切り板を上下移動させることを特徴とする。
ここで、Bは前記水槽の幅寸法、gは重力加速度、h0は前記開口を形成する前の前記造波区間の所定初期水深、h2は前記貯水部における初期水深、aは前記仕切り板の前記水槽の底面からの上方移動量、Cは流量係数であり下記(3)式により算出される。
ここで、CCは縮流係数、h1=Hb+h0である。
In the wave-making experiment method of the present invention, a dam portion and a water storage portion are arranged inside a water tank having a constant width direction at intervals in the longitudinal direction of the water tank, and the water storage portion is located on the dam portion side. A wave-making section is formed between the partition plate constituting the surface and the dam portion, and in a state where water having a predetermined water depth exists in the wave-making section, the partition plate is moved upward to the lower end of the partition plate. In the wave-making experimental method, in which water in the water storage portion is allowed to flow out toward the dam portion from an opening formed between the bottom surface of the water tank and a step wave is generated in the wave-making section by the discharged water. It is assumed that the positive step wave height in which the water level increases with respect to the initial water depth generated in the wave-making section is equal to the negative step wave height in which the water level decreases with respect to the initial water depth generated in the water storage section at this time. to outflow the following equation (1) for calculating the flow rate Q b of the water required to generate the stepped wave height in the reservoir, from the reservoir through said opening to said wave-period The following equation (2) for calculating the outflow amount Q g of the water to be generated is stored in the calculation unit, and when the desired step wave height H b is generated in the wave-making section, the step wave is stored in the calculation unit. By inputting the wave height H b , it is substituted into the equations (1) and (2), and the upward movement amount of the partition plate at which the calculated inflow amount Q b and the outflow amount Q g are equal is calculated. It is characterized in that the partition plate is moved up and down by the specified upward movement amount specified by the unit.
Here, B is the width dimension of the water tank, g is the gravitational acceleration, h 0 is the predetermined initial water depth of the wave-making section before forming the opening, h 2 is the initial water depth in the water storage portion, and a is the partition plate. The amount of upward movement from the bottom surface of the water tank, C is a flow coefficient, which is calculated by the following equation (3).
Here, C C is the
本発明の造波実験装置および造波実験方法によれば、段波発生プロセスを簡易化した計算モデルに基づいて導出した前記(1)式および(2)式に所望の段波波高Hbを代入することで、演算部によって迅速に、所望の段波波高Hbを生じさせるのに適した仕切り板の上方移動量を特定することができる。そのため、この特定された上方移動量で仕切り板を上方移動させる簡易な制御により、所望の段波波高Hbを有する段波を発生させることが可能となる。 According to the wave-making experimental apparatus and the wave-making experiment method of the present invention, the desired bore wave height Hb is added to the above equations (1) and (2) derived based on a simplified calculation model of the bore generation process. By substituting, the calculation unit can quickly specify the amount of upward movement of the partition plate suitable for generating the desired bore wave height H b . Therefore, it is possible to generate a bore having a desired bore height H b by a simple control of moving the partition plate upward by the specified upward movement amount.
上記の造波実験方法において、前記造波実験を行う前に、津波の3次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションを行って、前記造波区間で発生させた段波の分散第1波の波高と、この分散第1波の前記仕切り板からの離間距離との相関関係を示す相関データを予め取得しておき、前記造波実験を行う際には、前記相関データと前記分散第1波の所望の波高とに基づいて、前記分散第1波が所望の波高になる前記仕切り板からの離間距離を特定しておくこともできる。このようにすると、造波実験を行う際に、分散第1波が所望の波高になる仕切り板からの離間距離を簡便に特定することが可能となる。これに伴い、波高計や測定対象物等のセッティングに要する労力や時間を大幅に低減することができる。 In the above wave-making experiment method, before the wave-making experiment is performed, a computer simulation using a three-dimensional model of the tsunami is performed to obtain the wave height of the distributed first wave of the bore generated in the wave-making section. Correlation data showing the correlation between the first wave of dispersion and the distance from the partition plate is acquired in advance, and when the wave-making experiment is performed, the correlation data and the desired first wave of dispersion are desired. It is also possible to specify the separation distance from the partition plate at which the first dispersed wave has a desired wave height based on the wave height. In this way, when performing a wave-making experiment, it is possible to easily specify the distance from the partition plate at which the first dispersed wave has a desired wave height. Along with this, the labor and time required for setting the wave height meter, the object to be measured, and the like can be significantly reduced.
前記分散第1波の波高として、この波高を前記造波区間の所定初期水深で除した無次元相対波高を用い、前記分散第1波の前記仕切り板からの離間距離として、この離間距離を前記造波区間の所定初期水深で除した無次元離間距離を用いると、前記造波区間の所定初期水深によらず、分散第1波が所望の波高になる仕切り板からの離間距離を特定することが可能となる。 As the wave height of the first dispersed wave, a dimensionless relative wave height obtained by dividing this wave height by a predetermined initial water depth of the wave-making section is used, and this separation distance is used as the separation distance of the first dispersed wave from the partition plate. Using the dimensionless separation distance divided by the predetermined initial water depth of the wave-making section, the separation distance from the partition plate at which the first dispersed wave has a desired wave height can be specified regardless of the predetermined initial water depth of the wave-making section. Is possible.
以下、本発明の造波実験装置および方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the wave-making experimental apparatus and method of the present invention will be described based on the embodiment shown in the figure.
図1および図2に例示する本発明の造波実験装置1は段波を発生させる。この造波実験装置1は、堰部3が内部に配置された水槽2と、水槽2の内部に堰部3に対して水槽2の長手方向に間隔をあけて設置される貯水部4と、貯水部4の堰部3側の面を構成する仕切り板5と、仕切り板5と堰部3との間に形成された造波区間6とを備えている。この造波実験装置1はさらに、仕切り板5を上下移動させる移動機構7と、移動機構7を制御する制御部9と、入力された段波波高に基づいて仕切り板5の上方移動量を特定する演算部8とを備えている。
The wave-making experimental device 1 of the present invention illustrated in FIGS. 1 and 2 generates a bore wave. The wave-making experimental device 1 includes a
尚、図中の矢印Xは水槽2の長手方向、矢印Yは水槽2の幅方向、矢印Zは上下方向を示している。以下では、発生させる段波Tの進行方向先端側(堰部3側)を下流側といい、発生させる段波Tの進行方向後端側(貯水部4側)を上流側という。
In the drawing, the arrow X indicates the longitudinal direction of the
この実施形態の造波実験装置1は、さらに、貯水部4の水位を測定する水位計12aと、造波区間6の水位を測定する水位計12bと、造波した段波Tの波高を測定する波高計13(13a〜13d)と、貯水部4から流出させた水Wを再び貯水部4に循環させる循環手段15とを備えている。この実施形態では、さらに、分散波高位置特定部10と、循環手段15から貯水部4に供給される流量を計測する流量計16とが設けられている。分散波高位置特定部10の詳細については後述する。
The wave-making experimental device 1 of this embodiment further measures the
水槽2は上面を開口した直方体形状であり、幅寸法Bは一定である。水槽2の底面2aは水平になっている。堰部3は、水槽2の下流側に配置されている。堰部3は、底面2aから上方に延設され、水槽2の幅方向全長に延びている。この実施形態では、水槽2の下流側の壁面から離間した位置に堰部3が配置されており、水槽2の下流側の壁面と堰部3との間に、堰部3を越えた水Wを溜める溜水部14が設けられている。
The
貯水部3は、水槽2の幅方向全長に延びる仕切り板5と、仕切り板5と水槽2の上流側の壁面と、水槽2の側壁面とで構成されている。仕切り板5は、下方移動するとその下端5aが水槽2の底面2aに当接する。この仕切り板5と水槽2の上流側の壁面とで水槽2の長手方向の一部が区画されて貯水部4が形成されている。
The
移動機構7は、例えば、電動シリンダや油圧式シリンダ等のアクチュエータで構成される。この実施形態では、水槽2に仕切り板5および移動機構7を固定するフレームが設けられており、フレームと仕切り板5との間に仕切り板5の上下移動をガイドするベアリング付きレールが設けられている。仕切り板5を上方移動させ、下端5aと水槽2の底面2aとの間に開口Gを形成すると貯水部4の中の水Wが造波区間6に向って流出する。
The moving mechanism 7 is composed of an actuator such as an electric cylinder or a hydraulic cylinder, for example. In this embodiment, the
循環手段15は、溜水部14と貯水部4とを繋ぐ導水管15aと、導水管15aに接続されるポンプ15bとで構成されている。この循環手段15により、溜水部14に溜まった水Wを吸引し、貯水部3の上部に設けられた排出口から貯水部3に水Wを供給する。導水管15aには、流量計16が接続されている。
The circulation means 15 includes a
この実施形態では、演算部8、制御部9、および分散波高位置特定部10が1台のパーソナルコンピュータで構成され、演算部8および分散波高位置特定部10に入力および出力されるデータが、モニタ11に表示されるようになっている。演算部8、制御部9、および分散波高位置特定部10は、それぞれ別の機器に分担させることもできる。制御部9には、演算部8と移動機構7とポンプ15bとが有線または無線で接続されており、演算部8には、水位計12a、12bと流量計16が有線または無線で接続されている。
In this embodiment, the
この実施形態では、水位計12a、12bとして超音波距離計を用い、波高計13として容量式波高計を用いている。水位計12a、12bおよび波高計13としては他のセンサや測定器等を用いることもできる。水位計12a、12bおよび波高計13は例えば、水槽2の上端で幅方向に架けられた梁を介して水槽2の幅方向中央部取付けられる。水位計および波高計の設置台数や設置位置等は、実験内容や水槽2のサイズ等によって適宜決定できる。
In this embodiment, an ultrasonic range finder is used as the water level gauges 12a and 12b, and a capacitive wave height meter is used as the wave height meter 13. Other sensors, measuring instruments, etc. can also be used as the water level gauges 12a and 12b and the wave height gauge 13. The water level gauges 12a and 12b and the wave height gauge 13 are attached to, for example, the central portion of the
図3に示すように、仕切り板5を上方移動させると開口Gを通じて貯水部4から造波区画6に水Wが流入して段波Tが形成される。段波Tを構成する進行方向最先端部の分散波が分散第1波T1である。段波波高Hbは、段波Tの平均波高である。この実施形態では、分散第1波T1を除いた分散第2波T2および分散第3波T3の平均波高を段波波高Hbとしている。図3の一点鎖線は、段波Tを簡易化して示している。
As shown in FIG. 3, when the
図4は、段波発生プロセスを簡易化した計算モデルを示している。図4では、段波Tを発生させる前の水面および仕切り板5を実線で示しており、段波Tを発生させた時の水面および仕切り板5を1点鎖線で示している。
FIG. 4 shows a calculation model that simplifies the bore generation process. In FIG. 4, the water surface and the
演算部8には、図4に示すように、造波区間6に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高Hb+と、この時に貯水部4に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高Hb-とが等しいと仮定して、貯水部4において段波波高Hbを発生させるために必要な水Wの流入量Qbを算出する下記(1)式と、開口Gを通過して貯水部4から造波区間6に流出する水Wの流出量Qgを算出する下記(2)式とが記憶されている。
ここで、Bは水槽2の幅寸法、gは重力加速度、h0は開口Gを形成する前の造波区間6の所定初期水深、h2は貯水部4における初期水深、aは仕切り板5の水槽2の底面2aからの上方移動量、Cは流量係数であり下記(3)式により算出される。
ここで、CCは縮流係数、h1は段波における平均水深であり、h1=Hb+h0である。
As shown in FIG. 4, the
Here, B is the width dimension of the
Here, C C is the contracted coefficient, h 1 is the average depth of Danha is h 1 = H b + h 0 .
上記の(1)式〜(3)式は、段波発生プロセスを簡易化した計算モデルに基づいて導出している。まず、(1)式について説明する。図4に示すように、造波区間6に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高Hb+と、この時に貯水部4に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高Hb-とが等しいと仮定すると、造波区画6(断面α2)において段波波高Hbを発生させるために必要な水Wの流量と、貯水部4(断面α4)において段波波高Hbを発生させるために必要な水Wの流入量Qbとが等しくなると仮定できる。本発明では、この仮定に基づいて、(1)式を導出している。
The above equations (1) to (3) are derived based on a simplified calculation model of the bore generation process. First, equation (1) will be described. As shown in FIG. 4, the positive bore wave height H b + in which the water level increases with respect to the initial water depth generated in the wave-making
図5では、初期の水面を実線で示している。図5に示すように、幅方向寸法が一定の造波区間6(一様断面水路)における段波Tの伝搬速度をωとし、段波Tが発生する前の下流側の断面α0の流水面積、流速、流量をそれぞれA0、v0、Q0とし、段波T発生後の流れにおける断面α2の流水面積、流速、流量をそれぞれA1、v1、Q1とする。
In FIG. 5, the initial water surface is shown by a solid line. As shown in FIG. 5, the propagation velocity of the bore T in the wave-making section 6 (uniform cross-section channel) having a constant width direction is ω, and the flowing water area of the cross section α0 on the downstream side before the bore T is generated. , flow rate, flow rate and a 0,
段波Tの進行方向において、断面α0と断面α2の間に位置する断面α1を、断面α0から上流側へl0離れ、かつ、断面α2から下流側へl1離れた初期の段波Tの不連続面として、単位時間後の水面を一点鎖線とすると、連続式は下記(4)式となる。
そして、(4)式を式変形すると下記(5)式となる。
ここで、Qrは置換流量である。
In the traveling direction of Danha T, the cross section α1 located between the cross α0 and cross [alpha] 2, l 0 away from the cross-sectional α0 to the upstream side, and the cross-sectional [alpha] 2 to the downstream side l 1 away early stages wave T Assuming that the water surface after a unit time is a alternate long and short dash line as the discontinuous surface, the continuous equation becomes the following equation (4).
Then, when the equation (4) is transformed into the equation (5) below.
Here, Q r is the replacement flow rate.
単位時間における運動量の変化が両端の断面α0、断面α2にそれぞれ働く水圧の差に等しいとする運動量方程式は、下記(6)式となる。
The momentum equation that assumes that the change in momentum in a unit time is equal to the difference in water pressure acting on the cross sections α0 and α2 at both ends is given by the following equation (6).
圧力は静水圧分布の下記(7)式に従うので、運動量方程式は(6)式および(7)式から下記(8)式となる。
ここで、yは底面2aから上方向への距離である。
図6に示すように、hG0、hG1は、それぞれ断面α0、断面α2における水表面から図心(重心位置)までの深さである。
Since the pressure follows the following equation (7) of the hydrostatic pressure distribution, the momentum equation becomes the following equation (8) from the equations (6) and (7).
Here, y is the upward distance from the
As shown in FIG. 6, h G0 and h G1 are depths from the water surface to the center of gravity (center of gravity position) in cross sections α0 and α2, respectively.
前述した(5)式より、伝搬速度ωは下記(9)式で表される。
ここで、q0およびq1は、単位置換流量である。
From the above equation (5), the propagation velocity ω is expressed by the following equation (9).
Here, q 0 and q 1 are unit replacement flow rates.
また、(5)式と(8)式とからv1を消去し、長方形水路の段波としてhG0=h0/2、hG1=h1/2とおき、h1=Hb+h0とすると、伝搬速度ωは下記(10)式で表される。
Also, (5) and subtractive with the v 1 from the equation (8), h G0 = h 0/2 as a step wave rectangular waterways, h G1 = h 1/2 Distant, h 1 = H b + h 0 Then, the propagation velocity ω is expressed by the following equation (10).
ここで、(9)式と(10)式とからωを消去し、q0=0、v0=0、水槽2の幅寸法をBとすると、断面α2における段波波高Hbの造波に必要な流量の算出式(1)’が求められる。本発明では、この式(1)’を、貯水部4において段波波高Hbを発生させるために必要な水Wの流入量Qbを算出する(1)式として利用する。
Here, assuming that ω is eliminated from Eqs. (9) and (10), q 0 = 0, v 0 = 0, and the width dimension of the
次に、(2)式、(3)式について説明する。(2)式および(3)式はHenry型のスルースゲートのもぐり流出による流量式から導出している。 Next, the equations (2) and (3) will be described. Equations (2) and (3) are derived from the flow rate equation due to the outflow of the Henry type sluice gate.
図4に示すように、幅方向寸法が一定の造波区間6(一様断面水路)において、段波Tにおける断面α2における水深h1が、造波区画6の仕切り板5の近傍の断面α3の水深h’にほぼ等しい(h1≒h’)とすると、開口Gを通過して貯水部4から造波区間6に流出する水Wの流出量Qgは(2)式で表すことができる。
ここで、縮流係数をCCとすると、流量係数Cは、(3)式となる。
ただし、h1=Hb+h0である。
As shown in FIG. 4, in the width direction dimension certain wave-period 6 (uniform cross-section waterways), the water depth h 1 in a cross section α2 in Danha T is in the vicinity of the
Here, when the contraction coefficient is C C, the flow coefficient C becomes (3).
However, h 1 = H b + h 0 .
演算部8は、造波区間6に所望の段波波高Hbを生じさせる際に、入力された所望の段波波高Hbを(1)式および(2)式に代入して算出された流入量Qbと流出量Qgとが等しくなる仕切り板5の上方移動量aを演算して特定する。演算部8によって特定された上方移動量aは制御部9に入力される。制御部9は、移動機構7に対して、演算部8で特定された上方移動量aで仕切り板5を上下移動させる指令を出す。
The
この実施形態の演算部8は、さらに、入力された所望の段波波高Hbを(1)式に代入して算出された流入量Qbを制御部9に入力する。制御部9は、仕切り板5を上方移動させる実験開始直後に、ポンプ15bに対して、演算部8で算出された流入量Qbと同じ流量の水Wを貯水部4に供給させる指令を出す。ポンプ15bによる供給流量は流量計16によって測定され、逐次演算部8に入力される。
Further, the
ポンプ15bによる供給流量調整の精度が高い場合には、前述したように、演算部8および制御部9により、ポンプ15bに対して、演算部8で算出された流入量Qbと同じ流量の水Wを貯水部4に供給させる指令を出し続けることで、貯水部4における初期水深h2を一定に維持することができる。
If the accuracy of the supply flow rate adjustment by the
しかしながら、ポンプ15bの機械特性から急激な流量変化に対応することが難しいため、演算部8および制御部9がポンプ15bに指令を出した供給流量と、実際にポンプ15bから貯水部4に供給される流量との間に誤差が生じ、実験開始後に貯水部4の初期水深h2が変化する可能性がある。そのため、この実施形態の演算部8および制御部9ではさらに、実験開始後に、水位計12aによる貯水部4における初期水深h2の測定データと、流量計16の測定データとに基づいて、貯水部4における初期水深h2が実験開始前の初期水深h2に近づくように、ポンプ15bによる供給流量の誤差を逐次補正する制御を行う。即ち、貯水部4の初期水深h2が低下した場合には、ポンプ15bによる供給流量を演算部8で算出された流入量Qbよりも多く補正し、貯水部4の初期水深h2が増加した場合には、ポンプ15bによる供給流量を演算部8で算出された流入量Qbよりも少なく補正する。
However, since it is difficult to respond to a sudden change in flow rate due to the mechanical characteristics of the
分散波高位置特定部10は、分散第1波T1が所望の波高ηmになる位置(仕切り板5からの離間距離x)を特定する。分散波高位置特定部10には、図7に例示する相関データが記憶されている。この相関データは、造波実験を行う前に、津波の3次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションを行って予め取得した、造波区間6で発生させた段波Tの分散第1波T1の波高ηmと、この分散第1波T1の仕切り板5からの離間距離xとの相関関係を示している。分散波高位置特定部10は、この相関データと分散第1波T1の所望の波高ηmとに基づいて、分散第1波T1が波高ηmになる仕切り板5からの離間距離xを特定する。
The dispersed wave height
津波の3次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションは、例えば、非静水圧の3次元モデルを使用して行う。この3次元モデルのシミュレーションとしては、高潮津波シミュレータ(STOC)による津波被害解析手法(港湾空港技術研究所報告,Vol.55,No.2,2016.)を例示できる。 Computer simulation using a three-dimensional model of a tsunami is performed using, for example, a three-dimensional model of non-hydrostatic pressure. As a simulation of this three-dimensional model, a tsunami damage analysis method (Port and Airport Research Institute Report, Vol. 55, No. 2, 2016.) using a storm surge tsunami simulator (STOC) can be exemplified.
この実施形態では、図7に示すように、分散第1波T1の波高ηmとして、波高ηmを造波区間6の所定初期水深h0で除した無次元相対波高(ηm/h0)を用い、分散第1波T1の仕切り板5からの離間距離xとして、離間距離xを造波区間6の所定初期水深h0で除した無次元離間距離(x/h0)を用いている。このように、無次元相対波高と無次元離間距離の相関データを取得しておくと、造波区間6の所定初期水深h0によらず、分散第1波T1が所望の波高ηmになる仕切り板5からの離間距離xを特定することが可能となる。
In this embodiment, as shown in FIG. 7, as the wave height η m of the first dispersed wave T1, the wave height η m is divided by the predetermined initial water depth h 0 of the wave-making
次に、造波実験装置1による造波実験方法を以下に説明する。 Next, the wave-making experiment method by the wave-making experiment device 1 will be described below.
仕切り板5の下端5aを水槽2の底面2aに当接させた状態で貯水部4に水Wを十分に貯めておき、堰部3と仕切り板5とで仕切られた造波区画6に所望の初期水深h0まで水Wを張る。貯水部4における初期水深h2は水位計12aによって計測され、演算部8に入力される。開口を形成する前の造波区画6の初期水深h0は水位計12bによって計測され、演算部8および分散波高位置特定部10にそれぞれ入力される。
Sufficient water W is stored in the
演算部8には、再現したい段波波高Hbを入力する。演算部8に所望の段波波高Hbが入力されると、その段波波高Hbを代入した(1)式と(2)式とから、算出した流入量Qbと流出量Qgとが等しくなる仕切り板5の上方移動量aが、演算部8によって特定される。そして、演算部8によって特定された上方移動量aは、制御部9に入力される。さらに、この実施形態では、演算部8によって算出された流入量Qbが制御部9に入力され、ポンプ15bの供給流量の設定が行われる。
The bore wave height H b to be reproduced is input to the
分散波高位置特定部10には、観測を行いたい分散第1波T1の波高ηmを入力する。分散波高位置特定部10に所望の分散第1波T1の波高ηmが入力されると、予め取得された分散第1波T1の波高ηmおよび仕切り板5からの離間距離xの相関データと、入力された分散第1波T1の波高ηmとに基づいて分散第1波T1が所望の波高ηmになる仕切り板5からの離間距離xが特定される。作業員は、モニタ11に表示された特定結果を参照して、分散波高位置特定部10によって特定された位置に、波高計13や、段波Tの影響を観測したい測定対象物M(港湾構造物の模型等)をセッティングする。以上により、造波実験開始前の準備が完了する。
The wave height η m of the first dispersed wave T1 to be observed is input to the dispersed wave height
上記の準備を終えた後に制御部9に実験開始の指令を入力する。制御部9に実験開始の指令を入力すると、演算部8から入力された上方移動量aまで仕切り板5を上方に移動させる指令が制御部9から移動機構7に入力される。これにより、移動機構7によって仕切り板5は上方に移動し、仕切り板5の上方移動により形成された開口Gから貯水部4内の水Wが造波区画6に流出する。貯水部4から流出させた水Wは造波区画6を堰部3(下流側)に向かって流れて段波Tを形成する。
After completing the above preparations, a command to start the experiment is input to the
実験が開始すると、演算部8および制御部9によるポンプ15bの流量制御が行われる。ポンプ15bの流量制御により、貯水部4の初期水深h2が変化しない場合には、実験開始後においても、演算部8によって特定される上方移動量aは一定となる。そのため、仕切り板5を実験開始前に特定した上方移動量aで維持することで、所望の段波波高Hbを有する段波Tを継続的に発生させることができる。
When the experiment starts, the flow rate control of the
ポンプ15bの流量制御を行う場合にも、ポンプ15bの機械特性から急激な流量変化に対応することが難しいため、貯水部4の水深h2が変化する場合がある。その場合には、(2)式における貯水部4の水深h2の値が変化することで、所望の段波波高Hbを生じさせるのに適切な上方移動量aも変化する。それ故、貯水部4の水深h2が変化した場合には、演算部8により、その変化した貯水部4の水深h2を代入した(1)式と(2)式とから、流入量Qbと流出量Qgとが等しくなる仕切り板5の上方移動量aを再度逐次演算して特定する。制御部9は、演算部8から入力される上方移動量aになるように、仕切り板5の上下移動を逐次制御することにより、開口部Gから流出させる水量をコントロールする。これにより、所望の段波波高Hbを有する段波Tを継続的に発生させる。
Even when the flow rate of the
図8のγ1は水位計12bで計測した水位を示していて、γ2〜γ5はそれぞれ、波高計13a〜13dで計測した水位を示している。図8に示すように、段波Tは底面2a上(造波区画6)を進むにつれて分散第1波T1の波高ηmが発達し、分散第1波T1の仕切り板5からの離間距離xが遠くなるほど、分散第1波T1の波高ηmは高くなる。分散波高位置特定部10で特定された離間距離xにおける分散第1波T1の波高ηmは、予め分散波高位置特定部10に入力した所望の分散第1波T1の波高ηmとなる。造波実験の目的に応じて、段波Tと測定対象物Mとが衝突している状況のデータなどを波高計13等で記録し、分析を行う。
Γ1 in FIG. 8 shows the water level measured by the
堰部3を超えた波Tは溜水部14に流れ込む。溜水部14に流れ込んだ水Wは、導水管15aを通してポンプ15bによって吸引され、再び貯水部4に供給される。水槽2内の水Wは貯水部4から流出されてから貯水部4に戻るまでの上記の工程を繰り返し、循環する。
The wave T that exceeds the
このように、本発明によれば、段波発生プロセスを簡易化した計算モデルに基づいて導出した(1)式および(2)式に所望の段波波高Hbを代入することで、演算部8によって迅速に、所望の段波波高Hbを生じさせるのに適した仕切り板5の上方移動量aを特定することができる。そのため、この特定された上方移動量aで仕切り板5を上方移動させる簡易な制御により、所望の段波波高Hbを有する段波Tを発生させることが可能となる。本発明は、分散波を含んだ波状段波Tを簡易な制御で精度よく再現できるので、津波による被災原因の検証実験や、防波堤の設計検討実験などに非常に有用である。
As described above, according to the present invention, by substituting the desired bore wave height H b into the equations (1) and (2) derived based on the simplified calculation model of the bore generation process, the
図9は、造波実験装置1によって発生させた段波Tの測定結果を示している。図9では、波状段波の測定結果を白抜きのマーカーで示し、砕波段波の測定結果を黒塗りのマーカーで示している。図9の一点鎖線は砕波限界を示しており、2点鎖線は造波限界を示している。造波限界よりも上側の砕波限界に位置する黒塗りのマーカーは波状段波が砕波して砕波段波に変化したときの測定結果を示しており、造波限界よりも下側に位置する黒塗りのマーカーは、砕波した後の砕波段波の測定結果を示している。 FIG. 9 shows the measurement result of the bore T generated by the wave-making experimental device 1. In FIG. 9, the measurement result of the wavy bore is indicated by a white marker, and the measurement result of the breaking bore wave is indicated by a black marker. The alternate long and short dash line in FIG. 9 indicates the breaking limit, and the alternate long and short dash line indicates the wave-making limit. The black-painted marker located at the breaking limit above the wave-making limit shows the measurement result when the wavy bore breaks and changes to a breaking bore, and the black located below the wave-making limit. The painted marker shows the measurement result of the breaking bore wave after breaking the wave.
図9に示すように、本発明では、波状段波だけでなく、砕波段波も発生させることができるので、実際の津波に非常に近い段波を再現することができる。この実施形態の造波実験装置1では、分散第1波T1の波高ηmを造波区間の所定初期水深h0で除した無次元相対波高(ηm/h0)が0.9を超えると砕波限界となり、波状段波から砕波段波に変化する。 As shown in FIG. 9, in the present invention, not only a wavy bore but also a breaking bore can be generated, so that a bore very close to an actual tsunami can be reproduced. In the wave-making experimental device 1 of this embodiment, the dimensionless relative wave height (η m / h 0 ) obtained by dividing the wave height η m of the first dispersed wave T1 by the predetermined initial water depth h 0 of the wave-making section exceeds 0.9. It becomes the breaking limit and changes from a wavy bore to a breaking bore.
この実施形態のように、造波実験を行う前に、津波の3次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションを行って、造波区間6で発生させた段波Tの分散第1波T1の波高ηmと、この分散第1波T1の仕切り板5からの離間距離xとの相関関係を示す相関データを予め取得しておくと、造波実験を行う際に、その相関データと分散第1波T1の所望の波高ηmとに基づいて、分散第1波T1が所望の波高ηmになる仕切り板5からの離間距離xを簡便に特定することが可能となる。これに伴い、波高計13や測定対象物M等のセッティングに要する労力や時間を大幅に低減することができる。
As in this embodiment, before performing the wave-making experiment, a computer simulation using a three-dimensional model of the tsunami is performed, and the wave height η m of the dispersed first wave T1 of the step wave T generated in the wave-making
また、例えば、砕波段波を観測したい場合には、砕波限界の条件(ηm/h0>0.9)を満たす分散第1波T1の波高ηmとなる仕切り板5からの離間距離xを特定することで、波高計13や測定対象物M等を砕波段波が通過する位置にセッティングすることが可能となる。
Further, for example, when it is desired to observe a breaking bore wave, the separation distance x from the
この実施形態のように、演算部8および制御部9により、ポンプ15bの流量制御を行う構成にすると、実験開始後における貯水部4の初期水深h2の変化を小さくすることができる。貯水部4における初期水深h2の変化を小さくすることで、所望の段波波高Hbを発生させるための仕切り板5の上方移動量aを大きく変動させる必要がなくなる。そのため、所望の段波波高Hbを精度よく生じさせるには有利になる。また、ポンプ15bの流動制御を行うことで、貯水部4における初期水深h2を所望の段波波高Hbを造波するのに十分な初期水深h2に継続的に維持することができるので、所望の段波波高Hbを有する段波Tを安定して継続的に発生させることが可能となる。
If the flow rate control of the
ポンプ15bの制御は、例えば、演算部8と制御部9とにより、貯水部4における初期水深h2を一定範囲内に維持するように、ポンプ15bの駆動(オン)と停止(オフ)の切り替えを制御する構成にすることもできる。
Control of the
本発明において演算部8により特定される仕切り板の上方移動量aと無次元段波波高Hb/h0との関係(演算結果)が、実験値とどの程度一致しているかを確認した。実験値は、本発明の造波実験装置を使用して、貯水部の初期水深h2(0.3m〜0.5m)と仕切り板の上方移動量a(0.02m〜0.20m)との組み合わせを変えて、計50通りの条件下で取得した。造波区間における初期水深h0は0.20mで一定とした。造波した段波の段波波高Hbは、容量式波高計によって計測した。
In the present invention, it was confirmed to what extent the relationship (calculation result) between the upward movement amount a of the partition plate specified by the
図10では、演算結果が実線で示されていて、実験値が点で示されている。図9に示すように、演算結果と、実験値とは概ね一致している。このことから、本発明によって所望の段波波高Hbを生じさせるのに適切な上方移動量aを精度よく特定できることがわかる。 In FIG. 10, the calculation result is shown by a solid line, and the experimental value is shown by a dot. As shown in FIG. 9, the calculation result and the experimental value are almost the same. From this, it can be seen that the present invention can accurately identify the amount of upward movement a suitable for generating the desired bore wave height H b .
また、本発明において津波の3次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションによって取得した分散第1波の波高ηmと仕切り板からの離間距離xの相関関係を示す相関データ(シミュレーション結果)が、実験値とどの程度一致しているかを確認した。実験値は、本発明の造波実験装置を用いて取得した。コンピュータシミュレーションは、非静水圧の3次元モデルSTOC−ICを使用して行った。 Further, in the present invention, the correlation data (simulation result) showing the correlation between the wave height η m of the first dispersed wave acquired by the computer simulation using the three-dimensional model of the tsunami and the separation distance x from the partition plate is the experimental value. I checked how well they matched. The experimental values were obtained using the wave-making experimental device of the present invention. Computer simulation was performed using a non-hydrostatic three-dimensional model STOC-IC.
図7では、コンピュータシミュレーション結果が実線で示されていて、実験値が点で示されている。図7に示すように、シミュレーション結果と実験値とは概ね一致している。このことから、本発明によって、分散第1波T1が所望の波高ηmとなる仕切り板5からの離間距離xを精度よく特定できることがわかる。
In FIG. 7, the computer simulation results are shown by solid lines, and the experimental values are shown by dots. As shown in FIG. 7, the simulation results and the experimental values are in good agreement. From this, it can be seen that according to the present invention, the separation distance x from the
1 造波実験装置
2 水槽
2a(水槽の)底面
3 堰部
4 貯水部
5 仕切り板
5a (仕切り板の)下端
6 造波区画
7 移動機構
8 演算部
9 制御部
10 分散波高位置特定部
11 モニタ
12a、12b 水位計
13(13a〜13d) 波高計
14 溜水部
15 循環手段
15a 導水管
15b ポンプ
16 流量計
G 開口
W 水
T 段波
T1 分散第1波
T2 分散第2波
T3 分散第3波
M 測定対象物
1 Wave-making
Claims (4)
前記造波区間に所定水深の水が存在する状態で、前記仕切り板を上方移動させて前記仕切り板の下端と前記水槽の底面との間に形成した開口から前記堰部に向かって流出させた前記貯水部の中の水によって前記造波区間に段波を発生させる造波実験装置において、
前記造波区間に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高と、この時に前記貯水部に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高とが等しいと仮定して、前記貯水部において前記段波波高を発生させるために必要な水の流入量Qbを算出する下記(1)式と、前記開口を通過して前記貯水部から前記造波区間に流出する水の流出量Qgを算出する下記(2)式とが記憶された演算部を有し、
前記造波区間に所望の段波波高Hbを生じさせる際に、前記演算部に入力された前記段波波高Hbを前記(1)式および(2)式に代入して算出された前記流入量Qbと前記流出量Qgとが等しくなる前記仕切り板の上方移動量が前記演算部により特定され、特定された前記上方移動量で前記制御部により前記仕切り板を上下移動させる構成にしたことを特徴とする造波実験装置。
ここで、Bは前記水槽の幅寸法、gは重力加速度、h0は前記開口を形成する前の前記造波区間の所定初期水深、h2は前記貯水部における初期水深、aは前記仕切り板の前記水槽の底面からの上方移動量、Cは流量係数であり下記(3)式により算出される。
ここで、CCは縮流係数、h1=Hb+h0である。 A water tank in which a weir is arranged inside and has a constant width direction, a water storage part installed inside the water tank at intervals in the longitudinal direction of the water tank with respect to the weir, and the weir of the water storage part. The partition plate forming the surface on the portion side, the wave-making section formed between the partition plate and the weir portion, the moving mechanism for moving the partition plate up and down, and the vertical movement of the moving mechanism are controlled. With a control unit
In a state where water having a predetermined water depth exists in the wave-making section, the partition plate is moved upward to flow out toward the weir portion from an opening formed between the lower end of the partition plate and the bottom surface of the water tank. In the wave-making experimental device that generates a bore in the wave-making section by the water in the water storage part.
When the positive bore height at which the water level increases with respect to the initial water depth generated in the wave-making section is equal to the negative bore height at which the water level decreases with respect to the initial water depth generated at the water storage section at this time. assuming a following equation (1) for calculating the flow rate Q b of the water required to generate the stepped wave height in the reservoir, the wave-making section from the water storage section through said opening It has a calculation unit in which the following equation (2) for calculating the outflow amount Q g of the outflow water is stored.
When to produce the desired stepped wave height H b to said wave-period was calculated the stage wave height H b input to the arithmetic unit are substituted into the equations (1) and (2) the The upward movement amount of the partition plate at which the inflow amount Q b and the outflow amount Q g are equal is specified by the calculation unit, and the partition plate is moved up and down by the control unit with the specified upward movement amount. A wave-making experimental device characterized by the fact that it was done.
Here, B is the width dimension of the water tank, g is the gravitational acceleration, h 0 is the predetermined initial water depth of the wave-making section before forming the opening, h 2 is the initial water depth in the water storage portion, and a is the partition plate. The amount of upward movement from the bottom surface of the water tank, C is a flow coefficient, which is calculated by the following equation (3).
Here, C C is the contraction coefficient, h 1 = H b + h 0.
前記造波区間に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高と、この時に前記貯水部に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高とが等しいと仮定して、前記貯水部において前記段波波高を発生させるために必要な水の流入量Qbを算出する下記(1)式と、前記開口を通過して前記貯水部から前記造波区間に流出する水の流出量Qgを算出する下記(2)式とを演算部に記憶させておき、
前記造波区間に所望の段波波高Hbを生じさせる際に、前記演算部に前記段波波高Hbを入力することにより前記(1)式および(2)式に代入して、算出した前記流入量Qbと前記流出量Qgとが等しくなる前記仕切り板の上方移動量を前記演算部により特定し、特定した前記上方移動量で前記仕切り板を上下移動させることを特徴とする造波実験方法。
ここで、Bは前記水槽の幅寸法、gは重力加速度、h0は前記開口を形成する前の前記造波区間の所定初期水深、h2は前記貯水部における初期水深、aは前記仕切り板の前記水槽の底面からの上方移動量、Cは流量係数であり下記(3)式により算出される。
ここで、CCは縮流係数、h1=Hb+h0である。 A weir portion and a water storage portion are arranged inside a water tank having a constant width direction at intervals in the longitudinal direction of the water tank, and a partition plate and the weir forming a surface of the water storage portion on the weir portion side. A wave-making section is formed between the parts and the wave-making section, and the partition plate is moved upward in a state where water having a predetermined water depth exists in the wave-making section to form a wave-making section between the lower end of the partition plate and the bottom surface of the water tank. In the wave-making experiment method in which the water of the water storage part is discharged from the opening to the weir part and the discharged water is used to generate a bore in the wave-making section.
When the positive bore height at which the water level increases with respect to the initial water depth generated in the wave-making section is equal to the negative bore height at which the water level decreases with respect to the initial water depth generated at the water storage section at this time. assuming a following equation (1) for calculating the flow rate Q b of the water required to generate the stepped wave height in the reservoir, the wave-making section from the water storage section through said opening The following equation (2) for calculating the outflow amount Q g of the outflow water is stored in the calculation unit.
When a desired bore wave height H b is generated in the wave-making section, the bore wave height H b is input to the calculation unit and substituted into the equations (1) and (2) for calculation. The structure is characterized in that the upward movement amount of the partition plate at which the inflow amount Q b and the outflow amount Q g are equal is specified by the calculation unit, and the partition plate is moved up and down by the specified upward movement amount. Wave experiment method.
Here, B is the width dimension of the water tank, g is the gravitational acceleration, h 0 is the predetermined initial water depth of the wave-making section before forming the opening, h 2 is the initial water depth in the water storage portion, and a is the partition plate. The amount of upward movement from the bottom surface of the water tank, C is a flow coefficient, which is calculated by the following equation (3).
Here, C C is the contraction coefficient, h 1 = H b + h 0.
前記造波実験を行う際には、前記相関データと前記分散第1波の所望の波高とに基づいて、前記分散第1波が所望の波高になる前記仕切り板からの離間距離を特定しておく請求項2の記載の造波試験方法。 Before conducting the wave-making experiment, a computer simulation using a three-dimensional model of the tsunami was performed to obtain the height of the first dispersed wave of the bore generated in the wave-making section and the partition of the first dispersed wave. Correlation data showing the correlation with the distance from the board is acquired in advance,
When performing the wave-making experiment, the separation distance from the partition plate at which the first dispersed wave becomes the desired wave height is specified based on the correlation data and the desired wave height of the first dispersed wave. The wave-making test method according to claim 2.
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