「流氷域における流出油拡散の数値モデルに関する研究」

「流氷域における流出油拡散の数値モデルに関する研究」「流氷域における流出油拡散の数値モデルに関する研究」指導教官　山口　一　教授 (共同指導　生産技術研究所　林　昌奎助教授) 10772　寺嶋　健

背景 • サハリン北東部で油田開発 • 結氷地域であるため流出事故の危険性 Asahi.comより抜粋 NOAAによる画像

油の移流拡散予測の必要性 油移流拡散数値モデルが有効油流出事故 • 迅速な対応により損害が軽減 • 油を効率的に回収する • 油の分布状況を予測

油全体を一つの塊 油全体を小さな油塊の集合油を溶質として扱う連続体モデル個別要素モデル濃度拡散モデル • 油の分裂に対応していない • 計算機の能力上実用的ではない • 油には複雑に力がかかる • →濃度拡散のみで考えるのには無理がある限定された条件油移流拡散モデルはまだ発展途上で開発の余地既存の油拡散モデル • どれも開水面の移流拡散のみを扱う

本研究の目的 • 開水面、氷海両方に対応した油の移流拡散数値モデルの構築 • 氷の力学的モデルと連成計算が可能(世界初) • 油にかかる力を考える力学的モデル • 油の物性変化(乳化,蒸発)を取り入れられる

モデルの構築 油のモデル化油にかかる力の定式化

油シート 北側の辺西側の辺東側の辺南側の辺油のモデル化直線直交格子

辺部幅 辺部長さ油シート辺部辺部鉛直断面積(一定) 辺部厚さ油辺部

辺表面張力圧力による力せん断力付加質量：油底面で働くせん断により引きずられる水を考えている付加質量油にかかる力(開水面) 大気油水

辺圧力による力表面張力せん断力形状抗力付加質量油にかかる力(氷下面) 大気氷氷油水

氷大気油水油水 • 氷下面 • 開水面 • 拡散力 • ー表面張力 • ー圧力による力 • 拡散力 • ー圧力による力 • 拡散に関する力 • 反拡散力 • ー表面張力 • ーせん断力 • ー形状抗力 • ー付加質量 • 反拡散力 • ーせん断力 • ー付加質量 • 移流に関する力 • せん断力

Fst Fst : 油膜先端部の長さ :表面張力表面張力(Fst) 開水面の場合氷下面の場合油油水水 : 油膜先端部の長さ :表面張力

Fp :油による圧力 :水による圧力 :水による圧力の働く面積 :油による圧力の働く面積圧力による力(Fp) 大気油水

せん断力(Ff)、形状抗力(Fd) 氷水油せん断力 (乱流を仮定) 形状抗力 :接する面積 :接する面積 :密度 :相対速度 :密度 :相対速度 :摩擦係数 :抗力係数

油の物性変化の扱い • 油の流出から経過した時間を表すパラメータ emtを導入 • 乳化(エマルジョン化)、蒸発などによる物性変化 • をemtの関数として取り入れる 1タイムステップ毎にその関数を用いて物性変化 • emtが異なる油が混合する場合体積に重みを付けて平均

付加質量（水）の厚さ 付加質量（水）の厚さ [m] [m] 油辺部の鉛直断面積油辺部の鉛直断面積 [m [m ] ] 2 水‐油間の摩擦係数水‐油間の摩擦係数それぞれのパラメータの持つ傾向を加味し、実験データに合うようにチューニング計算に用いるパラメータのチューニング • 開水面の計算に用いるパラメータ • 氷下面での計算に用いるパラメータ

油パラメータチューニングー開水面の場合ー静止水面上の平面拡散実験 (海上技術安全研究所1981－1983) 大気 10.2[cm] 初速度=0 初期厚さ h=1[cm]~20[cm] 水

速度減少大 パラメータの影響水-油間の摩擦係数Cfwの拡散速度に与える影響ー Cfw増加 Cfwが増加→せん断力(反拡散力)が増加

パラメータの影響ー油辺部鉛直断面積Aosの拡散速度に与える影響ーパラメータの影響ー油辺部鉛直断面積Aosの拡散速度に与える影響ー Aos増加 Aosが増加すると収束していく速度が減少

D増加 パラメータの影響ー付加質量の厚さDの拡散速度に与える影響ー D増加→全体的に速度変化が抑えられる

計算値 実験値チューニング後の結果チューニング後：Cfw=0.2,Aos=0.05[m2],D=0.1[m] チューニングにより、計算結果が実験値に合致

初期条件の異なるケースでの実験値と計算値の比較初期条件の異なるケースでの実験値と計算値の比較 • 初期条件のみ変える • 同じパラメータの値を用いる • 計算値が実験値に合致

パラメータチューニングー氷下面の場合ー 氷下面の平面拡散実験 (Izumiyama et al. (2002)) 海上技術安全研究所氷海試験水槽大気氷物性値油実験条件油を一定時間注入水

パラメータの影響ー水-油間の抗力係数Cdwの拡散半径に与える影響ーー水‐氷間の摩擦係数Cfiの拡散半径に与える影響ーパラメータの影響ー水-油間の抗力係数Cdwの拡散半径に与える影響ーー水‐氷間の摩擦係数Cfiの拡散半径に与える影響ー • Cfi,Cdwは拡散にはほとんど影響しない • 氷の下では圧力による力と表面張力が支配

計算値 実験値計算結果と実験結果の比較 • 計算値が実験値と合致

開水面 氷下面開水面と氷下面での拡散の比較 • 氷下面では開水面と比べ多くの反拡散力 • 氷下面では開水面より拡散半径は小さくなる

開水面の拡散 氷下面の拡散大気大気氷油油水水実海域に適応するには不十分氷が全く存在しない氷で満たされている実海域では氷がまばらに存在

油油 ① 大気 ② 大気氷氷表面張力水水圧力による力 ④ ③ 油油大気大気氷氷表面張力水圧力による力水氷の下面への油の浸透

氷氷氷氷氷氷辺 :形状抗力 :せん断力 :表面張力氷がまばらにある場合油に働く力氷水油氷氷

Cn=0 Cn=0.5 Cn=0.8 氷密接度Cn • 氷密接度Cn 海域における氷の面積の占める割合

油大気氷氷氷油水氷氷氷がまばらにある場合の計算 • 氷の密接度を変化させ、拡散に与える影響を見ていく計算設定氷厚＝0.5[m](油は氷の下面には入り込めない) 氷密接度Cn＝0(開水面), 0.6, 0.8,1(氷の下面) 水

密接度増加 氷密接度（Cn)の拡散に与える影響 Cn=0.8 拡散半径増加 Cn=0.6 開水面 Cn=1 • Cn=1のときは拡散しない • 氷により油が排除される影響で • 密接度が増加すると拡散半径も増加

本研究の成果 • 開水面、氷海両方に対応したモデルを構築した • 本数値モデルは開水面と氷の下での平面拡散に関しては実験値と合う良好な結果を得た • 計算に必要なパラメータをチューニングし、決定した • 　油の物性変化を取り入れることを可能なモデ • 　　ルを構築した • 本数値モデルは拡散のみならず、移流も取り入れた

問題点と今後の課題 • 油内部の運動を考慮していない • 単純拡散のみでしか、チューニングを行っていない • →移流を含めたケースでのチューニングも必要 • 今回は実験結果と比較的一致したが、時間の関係上一部のケースのみでモデルを検証様々なケースで計算し、モデルのチューンアップ

「流氷域における 流出油拡散の数値モデルに関する研究」