環境排出物の乱流拡散 モデリング
この記事は、フローサイエンス誌創立35周年記念シミュレーションコンテストの優勝者であるアーヘン応用科学大学のダニエル・バレロ氏によって寄稿されました。
環境排水や放流構造物は、従来、複雑で費用と時間を要する実験的研究によって設計されてきました。積分アプローチに基づくモデルは、限界はあるものの一般的に用いられていますが、汚染物質の再巻き込みや強い有害排水は、こうしたモデルの想定範囲外です。したがって、汚染物質拡散のための完全な3Dモデルを用いることで、河川や河口における実際の汚染物質拡散に関する知見を深めることができます。同様に、境界ジェットをモデル化し、様々な拡散器の位置をテストすることで、環境水質と生物環境全体の改善を図ることができます。
本研究では、ジェット噴流を実験的にも数値的にもモデル化します。これにより、せん断領域における乱流分散の推定値が得られます。乱流モデリングには、自由表面追跡のためのVOF法とともにk-ε RNGモデルを使用します。汚染物質の移流には、乱流輸送の適切なモデル化を保証する単調性保持の2次スキームを使用します。上流のチャネルの流れがジェットを変形させ、再循環が発生する側方の突堤フィールドに押し出すことが観察されます。物理モデル化と FLOW-3D HYDRO を組み合わせて乱流シュミット数を取得し、これを FLOW-3D HYDRO で他の同様の汚染物質分散問題、例えば河川の実際の突堤フィールドに適用することができます。
境界付きジェットは、統計的に安定した最終解であっても不安定な挙動を示します。視覚化を容易にするために、汚染物質到達範囲の代表的な包絡線を示す2つの等濃度面(赤みがかった)と(透明な白)が表示されます。したがって、白い等濃度面は赤い等濃度面よりも大きな分散を示し、後者は前者の中に完全に含まれています。このような境界を選択することで、実験室で使用される方法と同様の方法で汚染物質の分散を視覚化できます。グリッド間隔は、実験モデルと同様に5 cmに設定されています。自然環境で見られるように、ジェットの放出は乱流であり、時間平均などの後処理操作が必要です。
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数値モデルは、ジェットの軌跡とせん断領域におけるジェットの捕捉を正確に再現します。せん断領域における流れの振動周波数も実験モデルと一致しており、これは突堤フィールドにおける全体的な再循環流のダイナミクスと関連しています。シミュレーションを用いることで、この流れ構成における乱流分散を正確に捉えるための適切な乱流シュミット数を決定することができます。