樹木後流の風洞実験.docVIP

樹木後流の風洞実験 Wind Tunnel Experiment of a Wake of Living Tree 薬師寺　健太 指導　石川　仁　准教授 緒　　言 　平成16年，日本には観測史上最多の19個の台風が接近した 1 ．特に，台風18号は，全国各地の農業にも甚大な被害をもたらし，その被害総額は全国で約1150億円にのぼった 2 ．そのような強風から農耕地や家屋を守る方法としては，防風林が古くから用いられている．防風林には減風効果があることが知られているが，そのメカニズムの詳細は明らかになっていない．また防風林は，農耕地の整備，拡大や道路の整備等により伐採され減少傾向にあるという 3 ．以上の問題に対しては，樹木の後流構造を詳しく調べることで，減風効果を損なわず農耕地の整備等の障害とならないような防風林の効果的な配置，伐採，剪定を行うことが可能になると期待される．本研究では，試供体として樹木 生木 を用いた風洞実験を行い，樹木後流の速度分布，および渦放出の様子などの後流構造を調べた． 2.　実験装置及び実験方法 本実験では，出口寸法250mm×250mmの噴き出し型風洞を使用した．実験は主流速度U∞ 0.5m/s 可視化実験 ，及び5，10 m/s 後流速度測定 で行った．屋外では，風速5m/sで木の葉や細かい小枝がたえず動き，風速10m/sで葉のあるかん木が揺れ始める 4 ．図1に座標系を示す．原点を枝の最下端部の幹の中心とし，主流方向にx軸，樹木の高さ方向にz軸，両者に垂直にy軸を取っている． 実験に用いた樹木は，防風林によく用いられるマツに形が近い針葉樹のコニファーである．図2に使用した2種類のコニファーを示す．後流測定にはコニファー１ 最大枝張り 　d 80mm，高さ h 160mm ，可視化実験にはコニファー2 最大枝張りd 75mm，高さ h 128mm を使用した．後流測定では端板付き円柱 直径 d 10mm を用意して比較を行った．後流の速度測定には測定装置にI型熱線プローブを使用した．測定は，樹木の枝張りが最大となるz/h 0.5についてx-y平面で行った．本実験ではサンプリング周波数2kHz，4秒間の測定を行った．これまでの研究より，円柱と同様に樹木後流において，主流の乱れ強さが2つの極大値 ダブルピーク を示す点を周期的に放出される渦が通過する可能性が示唆されている 5 ．そのことを確かめるために，熱線流速計を2台用いて同時測定を行った．各プローブをダブルピークの測定位置に固定して，速度を測定，パワースペクトル及び相互相関係数を算出した．また，可視化実験はスモークワイヤ法によって行った． 実験結果及び考察 3.1 速度分布 　樹木後流 U∞ 10m/s の速度分布を図3に示す．x/d 1，2，4では非対称な速度分布を示している．これは，樹木の枝張りが非対称であることに起因すると考えられる 6 ．下流に進むに従い，非対称であった速度分布は平均化していく．ここで後流の速度欠損u1を最大速度欠損u1mで無次元化し， u1/ u1m 1/2になる後流の半値幅b1/2を考える．いま，U∞ 5，10m/sのときの樹木の抗力係数CDを，文献 6 から1.15， 0.9と仮定する．樹木及び円柱の後流における半値幅の実測値を，横軸にx/ CDd ,縦軸に2 b1/2/ CDd をとってプロットしたものを，図4にまとめた．円柱後流はとb1/2の間に実験式が成り立つ 7 のに対し，樹木後流ではとb1/2の間に比例関係は見られず，b1/2はほぼ一定の値をとった．以上のことから，樹木の後流においては，円柱のそれよりも下流で後流幅が広がらないことがわかった．これは，樹木の葉のもつ透過性により，渦の形成位置が円柱のそれよりも下流になるためと考えられる． 図5にU∞ 10m/sでの乱れ強さ分布を示す．乱れ強さの極大値はx/d 1，4，6ではy/d 0.5，-0.6付近で，x/d 2ではy/d 0.6，-0.8付近とほぼ変化がなく，このことから放出渦の通過位置が後流においても変化しないことがいえる． 乱れ強さのピーク位置 x/d 4，y/d 0.475，-0.575 での後流速度変動のパワースペクトルを図5に示す．ピーク周波数はf21Hzである．ここで乱れ強さのダブルピーク位置で2点同時測定した速度変動の相互相関係数を図6に示す．x/d 4，6で最も相関係数は周期性が高く，位相差τ 0.024sで相関係数が最大になった．このことから，円柱からのカルマン渦列同様，樹木からも交互に周期的な渦放出がなされている可能性があること，その周期が T 1/f 2? 0.048s であること，などが明らかになった．一方でx/d 1，2で