浮遊する植生島を有する直方体矩形開水路における乱流構造の解析

Analysis of turbulent flow structures in the straight rectangular open channel with floating vegetated islands.

• Xuecheng Fu
• Feifei Wang
• Mengyang Liu
• Wenxin Huai

抄録

浮体式植生島(FVI)は汚染物質を除去する能力があることから、様々な河川生態系の修復プロジェクトに広く導入されている。FVIを通過する乱流の流体力学的挙動をSonTek Acoustic Doppler Velocimetryを用いて研究しています。従来のスペクトル解析と象限解析を用いて、一連のルートキャノピーに遭遇した流れのエネルギー含有量や乱流運動量交換のような流れの特性を調べた。その結果、根元キャノピーの底部には、ケルビン-ヘルムホルツ不安定性によって発生するコヒーレントな渦構造を持つ剪断層が発生した。これらの不安定性は，通常，根のキャノピーとギャップ領域の間の速度差に起因するものである．本研究では、スペクトル解析を用いて、せん断・茎スケールの渦を同定した。本研究では、FVIの先端から根管底付近の流れ方向の鉛直速度変動を測定し、そのパワースペクトル密度関数を計算した。下流側に流れが発生していることを考えると、一連のスペクトル曲線は0.046に1つの支配的な無次元周波数を徐々に示していることがわかった。掃引・放出現象は鉛直方向全体のレイノルズ応力に大きく寄与していることがわかった。掃引によって運ばれる運動量フラックスは、根のキャノピー内で運ばれる運動量フラックスよりも、突出によって運ばれる運動量フラックスの方が大きい。しかし，根管の外側では状況が異なる。掃引-放出の寄与は短いが，全体の乱流運動量交換には極めて重要であり，キャノピーを通る乱流の研究とよく一致している．

Floating vegetated islands (FVIs) are extensively implemented in various river ecology restoration projects, given their capability of decontaminating pollutants. The fluid dynamical behaviors of turbulence through FVIs are studied in the flume by using the SonTek Acoustic Doppler Velocimetry. Through conventional spectral and quadrant analyses, flow characteristics, such as energy content and turbulent momentum exchange, are investigated as the flow encountered a series of root canopies. A shear layer with corresponding coherent vortex structures at the bottom of root canopies occurred, which is generated by Kelvin-Helmholtz instabilities. These instabilities are usually derived from velocity differences between root canopy and gap region. Shear- and stem-scale vortices are identified by using spectral analysis. The power spectral density function on measured vertical velocity fluctuations in the flow direction near the bottom of root canopies from the leading edge of FVIs is computed. Given the flow developing downstream, a series of the spectral curves has gradually showed one dominant dimensionless frequency at 0.046. The sweep and ejection events have contributed prominently to the Reynolds stress in whole vertical direction. Momentum flux carried by sweeps outweighs its counterpart carried by ejections inside root canopies. However, the situation is different outside root canopies. The sweep-ejection contributions are brief but crucial to the total turbulent momentum exchange, which is in good agreement with considerable studies on turbulent flow through canopies.