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頭首工周辺部に生じる3次元性を無視できない流れを解析するため、多層モデルを導入して擬似3次元的な流れの有限要素解析ができるプログラムを開発した。本手法による解析結果は、水理模型実験結果と比較して頭首エの取入れ口のような比較的狭い領域においても十分に満足のできる結果が得られることを示した。
自然環境をとりまく流れは、平面的な広がりに比べて水深が浅いことから、鉛直方向には静水圧分布を仮定する浅水長波近似を導入した2次元的な流れ解析が行われる。しかし、頭首工などの農業水利施設周辺の流れを解析する際、流れの途中で鉛直方向の断面形状が大きく変化する場合には従来の2次元的な流れ解析では実際の現象を正確にとらえることができなくなる。本研究では、このような3次元性の強い流れを解析するため、深水湖など比較的広い領域の解析に用いられる多層モデルを導入し、頭首工の取入れ口のような狭い領域の解析への有効性を検証した。
多層モデルとして、マルチレベルモデルを採用し有限要素法による擬似3次元的な解析を行う数値解析プログラムを開発した。本研究で採用したマルチレベルモデルは、解析領域を固定された複数の層に分割し各層について浅水長波近似を行うため、厳密な意味での3次元解析ではなく、擬似3次元的な解析となる。解析例として、開水路で流入して出口がパイプラインとなっている頭首工の取入れ口(図-1)内部の流れを解析した。
擬似3次元的な解析を行うことにより、厳密な意味での3次元解析を行うよりも遥かに少ない時間での解析が可能となることから、パソコンやワークステーションなどによる解析が可能であり、実際の頭首工などの水利施設周辺の流れ解析への適用が期待される。