波と防波堤の相互作用
この記事は、Fabio Dentale、E. Pugliese Carratelli、SD Russo、および Stefano Mascetti によってイタリアの海洋・オフショア工学協会のジャーナルに掲載された記事の改訂版です。最初の3人の著者はサレルノ大学のユーザであり、Mascetti 氏はフローサイエンスのイタリアおよびフランスの提携企業であるXC Engineeringのエンジニアです。
防波堤の設計は、複雑な自然システム(海と海岸)と人工構造物(防波堤)の相互作用を完全に理解することに基づいている必要があります。通常、設計作業には広範な物理モデル化が伴い、これは非常に高価で時間がかかる場合があります。最近まで、防波堤の挙動の複雑な側面は、詳細な数値シミュレーションには難しすぎると考えられていました。これは特に、コンクリートブロックや岩石で構成された砕石堤防で、水が不安定な動きで複雑な経路を流れる場合に当てはまります。数値調査と物理調査の間のギャップは、コンピュータ技術の進歩のおかげで縮まっています。個々のブロックから構成される固体構造が流れと相互作用する様子を正確に表現し、ブロック間の空隙内に数値的な流れ領域を作成することが可能になりました。これにより、対流項を含む完全な流体力学的挙動の影響や乱流の影響を評価することができます。これは、防波堤を均質な多孔質媒体として近似する従来のダルシー法では考慮できなかった点です。
瓦礫堤防のモデリング
以下の例では、波の動きとの流体力学的相互作用を考慮に入れ、実際の形状に基づいて捨石式防波堤をモデル化した事例について説明します。
 図1：人工ブロック
|
 図2a：水中防波堤
|
 図2bおよび2c：露出した防波堤 – アクロポッド規則型およびアクロポッド不規則型
|
この研究では、球体のセットとして再現された自然の石塚の概略図を考慮し、さらにキューブ、修正キューブ、アンチファー、テトラポッド、アクロポッド、アクロポッドII、コアロック、Xブロック、Xブロックベースなどの一般的に使用される人工ブロックを考慮するように発展させました（図1）。
水中および水上防波堤は、文献で入手可能な標準的な経験式を使用してサイズが決定され、実際の幾何学的パターンに従って個々のブロックを重ね合わせることによって数値的に構築され、実物大の構造物および物理モデルと同様に構造がモデル化されました（図2）。
提案された手順の品質を検証するために、水中防波堤については、固体、多孔質、固体多孔質の3種類の形状が検討されました(図2a)。一方、水面上に露出した防波堤については、要素の形状に応じて、規則的とランダムの2種類の形状が使用されました(図2b – 2c)。
防波堤の形状が決定したら、その幾何学的構成を FLOW-3D にインポートし、波の伝播を解析して流体力学的相互作用を評価しました。シミュレーションは、RNG乱流モデルと、粗いグリッド内に細かいメッシュがネストされた計算グリッドを用いて、ナビエ・ストークス方程式を3次元で積分することにより実行されました。
水中バリア（計算領域：90×1.9×6.5m）の場合、包含メッシュブロックは46,200個の同じサイズの要素（0.30×0.27×0.30m）で構成され、ネストブロックは防波堤に配置され、2,353,412個の同じサイズの要素（0.061×0.055×0.061m）で構成されていました。
露出した防波堤にも同じ基準が採用されました。包含メッシュブロックは150,000個の要素（0.50×0.20×0.30m）で構成され、ネストされたブロックは2,025,000個の要素（0.10×0.10×0.10m）で作成されました（図3）。
 図3aおよび3b：水中防波堤（上図3a）と水上防波堤（下図3b）のメッシュビュー
|
 図4b：露出した防波堤 – アクロポッド規則
|
 図4a：水没した防波堤
|
結果の一部を以下の図にまとめました。図4では、3D領域の2次元断面に沿った圧力と乱流エネルギーの変化を示しています。図5では、異なる時点における自由表面の3次元形状を示しています。
流体の流れ経路に沿った、また一次防波堤を構成する個々の固体要素の輪郭に沿った流体力学的量の変化は容易に検出できます。これは、自由表面の三次元再構成（図5）において最も顕著に表れており、そこでは防波堤に対する波の作用の影響がより詳細に表現されています。
 図5a：水没した防波堤。
|
 図5b：露出した防波堤 – アクロポッド規則。
|
 図5c：露出した防波堤 – 不規則な頂部
|
結論
ナビエ・ストークス方程式に基づく数値シミュレーションを用いて、水中または水上に存在する海洋構造物と流体運動との相互作用を正確に表現する方法が実証されました。シミュレーションは、乱流シミュレーションにRANS、自由表面計算にVOFを用いる高度な計算流体力学ソフトウェアシステム（ FLOW-3D ）を使用して実施されました。
結果から、この手法はブロック間の経路における流体の動きを詳細に把握できるため、従来の浸透流法よりも精度の高いシミュレーションが可能であることが示されました。原理的には、構造物（フィルター、コア、つま先）の水中および水上部分の両方について、関連するすべての部分をシミュレーションできるという点で、制約はありません。
今後の研究では、 FLOW-3D の移動物体モデルを用いて、個々のブロックの安定性を評価することを目的とする予定です。