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1 GET SEMINAR 1/1/1 Darcy, Forchheimer, そして Manning 登坂博行 ( 東大 ) ( 吉岡真弓 ( 産総研 ) 佐々木憲二 (crearia))

2 流れの場の概念 ( 吉岡 1 地下水学会を改変 ) 地圏には様々な流れが起こる 岩石間隙 土壌間隙中の流動 : 穏やかな流れ ダルシー流れ 土壌パイプなどの発達した地下浅部の降下浸透 側方流 / 割れ目系岩盤中の降下浸透 トンネル湧水 / 石灰岩の溶食亀裂中の流れ / 崖錐礫 扇状地扇頂付近の礫 礫質帯水層中の降下浸透礫質帯水層中の降下浸透 / 揚水井 注水井周辺の流れ / 浸透ますなど礫質材料中の降下浸透 * より速い非ダルシー流れ ( 乱流 ) 地表流 管内流 地表流 海

3 流れの場の概念 ( 吉岡 1 地下水学会を改変 ) 地圏には様々な流れが起こる 岩石間隙 土壌間隙中の流動 : 穏やかな流れ ダルシー流れ 土壌パイプなどの発達した地下浅部の降下浸透 側方流 / 割れ目系岩盤中の降下浸透 トンネル湧水 / 石灰岩の溶食亀裂中の流れ / 崖錐礫 扇状地扇頂付近の礫 礫質帯水層中の降下浸透礫質帯水層中の降下浸透 / 揚水井 注水井周辺の流れ / 浸透ますなど礫質材料中の降下浸透 * より速い非ダルシー流れ ( 乱流 ) 地表流 管内流土壌パイプ 降下浸透 降下浸透 側方流 トンネル湧水 割れ目系岩盤 揚水井 浸透桝 礫質帯水層中の流れ 地表流 海 地下地層中の流れ

4 水の流れに関し 我々は大きく 3つのレジームを知っている J = bu J = au+ bu 流路の拡縮によりエネルギーが失われる効果を伴う流れ J = au

5 河川屋は Manning の乱流世界に住む /3 R Ψ u =, Ψ = z + h n x R R Wh = W + h π r r = = π r 4/3 x R (rectangular open channel) (tube) Ψ n J = = u = bu

6 地下水屋は Darcy の世界に住む K Ψ u =, Ψ = P + ρ gz μ x J Ψ μ = = xx K u ud μ Ψ K x

7 直列の法則 低透水部が律速する 直列媒体の平均浸透率は調和平均的となる K = l l K + l l K K = 1 m, K = 1 m l = 1 1. m, l = 1. 1 m K 1 m 1 一部に低透水媒体があると全体もDarcy 流れと考えてよい 高透水媒体中でも飽和流れは玉突き状態で Darcyと考えてよい 地下深部の流れは 大亀裂があっても Darcy 流れと考えてよい

8 中間的な流れはどこにあるのか?

9 降下浸透実験 ( 吉岡ら,1) 室内実験 >> 浸透率の推定 >> 再現計算.4m.5m

10 降下浸透実験 ( 吉岡ら,1) 室内実験 >> 浸透率の推定 >> 再現計算 3cm.4m.5m

11 降下浸透実験結果 ( 吉岡,1) 4 4 Stage 1 Stage B5 B1 CR 4 8 飽和流れ Time[s] 5 Injection 室内実験 >> 浸透率の推定 >> 再現計算 [s] Time[s] Case バルク流速 [m/s] B B1.11 CR.61 R e Case R e B5 33 B1 11 CR 75

12 このような高透水媒体の飽和から不飽 和にわたる挙動を再現できるか?

13 Darcy 型 相流れのモデル 水相 = x t u, ρ k, ρ q = ρ ϕs x t ( ud, wρwkr, w) ρwqw ( ρwϕsw) ( Dg g rg) g g ( g g) u ρ Dp, p S p ϕ k r, f ρ q p 気相 p p p p p p w g k rw, k rg h c h c 1 m 1 1 Se = 1 m α Se 1 n 1 ( m ( 1 ) ) m 1 1 k = Se Se rw rg r 1 m ( 1 ) ( 1 ) k = Se Se Sw Swr Se =, 1 Swr m = 1 1 n, r = 1 3 Se Sw, Swr m h c k rg k rw

14 非 Darcy 型 相流れのモデル予想形 ( 吉岡ら 1) 水相 ( ufw, ρwkrw, ) ρwqw= ( ρwϕsw) x t 気相 = x t ( uf, gρgkr, g) ρgqg ( ρgϕsg) k rw, k rg u F, p a' + a' + 4 b' ψ x = b ' μ p a' = aρ pg = b' = bρ pg K p k rg k rw (h c ) n = -

15 1 層 室内実験 >> 浸透率の推定 >> 再現計算 実験結果の再現性の検討 ( 吉岡ら,1) 計算設定大気層には微小値初期状態 ( ) を設定水飽和度 : 水飽和状態 (=.999) 温度 : 一定 (8 ) 圧力 : 静水圧分布 ( 大気 流出層 =113.5hPa) 注入設定注入量 :5ml/3ml at 6 秒後 * 本計算では毛管圧力 =として設定..1m 初期状態 タイムステップ : 最大 1 秒 ( 収斂状況に合わせて可変 ) 大気層 (1m) 試料 計算時間 :4 秒タイムステップ : 最大 1 秒 ( 収斂状況に合わせて可変 ) (.5m) 浸透率 推定した浸透率を使用 相対浸透率 van Genuchten の係数 n を変化 格子設定 流出層 (1cm) 最下層の流出層への累積流出曲線と実験結果を比較する.

16 媒体の浸透率の推定 h adh = ka dt L () ln ht h = KA t al Water level (log) B5 B5 B1 CR B1 CR 4 6 Time [s] この実験は Re>1 だがDarcy 的?

17 l (log) Water leve B5 B5 B1 CR -. B1 CR Time [s] Fig.5 Water level changes during the saturated flows 実は 詳しくみると これは曲線となっている

18 室内実験 >> 浸透率の推定 >> 再現計算 浸透率の推定方法 4 飽和流れ 1 3 Time[s] a μ J = u + bu u ρgk = μ ρ gk F F F ρ f a b =.4 3 μf gφ ufw, S p kr, f pqp ρ 1 累積流出量 Q obs, t n cal ( ) obs t=1 J = Q K Q t n Q cal t [ ], K 目的関数 Jが最小になる K を推定

19 目的関数 J 浸透率の推定結果 ( 吉岡 1) J B5 CR B m..e+.e-8 4.E-8 浸透率 K [m ] 目的関数 J 室内実験 >> 浸透率の推定 >> 再現計算 B m CR m 浸透率 K [m ] 目的関関数 J B1.E+.E-7 4.E-7 浸透率 K [m ] J K K J B B CR

20 Water lev vel (log) -. Darcy 流れとして逆解析 -.4 K* : 慣性効果の入った値 Forchheimer として逆解析 -.6 K: 層流状態の本来の浸透率 で K* の5~1 倍程度 4 6 Time [s] B5 B5 B1 CR B1 CR Fig.5 Water level changes during the saturated flows

21 累積流流出量 [kg] 4 再現計算結果 ( 吉岡,1) 室内実験 >> 浸透率の推定 >> 再現計算 B5( ガラスビーズ 5mm) B1( ガラスビーズ 1mm) CR( 砕石 ) Stage 1 実験値実験値実験値 Stage 累積流出量 [kg] 実験値計算値 実験値計算値 実験値計算値 K= [m ] 3 K= [m ] 3 K= [m ] 3 n=-.経過時間 [s] n=-1.3 経過時間 [s] 経過時間 [s] 5.5 n= 経過時間 [s] 経過時間 [s] 経過時間 [s] 本手法により推定した浸透率 K を用い 相対浸透率にかかる係数 n に負の値を与えることで 媒体の異なる 3 種の実験結果を良好に再現することができた 5

22 Relative p ermeability 1 k rg P c k rw 4 Capillarity pr ressure [m] Relative permeability 1 k rg k rw P c 4 Capillarity pr ressure [m] Water saturation 1 Water saturation 1 (a) n = 5 (b) n = - Fig.9 The relationships between water saturation and capillarity pressure (PP c ), relative permeability of liquid (kk rw ) and gas (kk rg ) by van Genuchten model with n = 5 (a) and n=- (b).

23 Cumulative outflow [kg] Cumulative outflow [kg] Elapsed time [s] 1 3 Elapsed time [s] ] outflow [kg Cumulative Elapsed time [s] Observation Forchheimer model with a estimated by inversion Darcy model with a estimated by inversion Darcy model with K estimated by FHP test Fig.1 Comparing results of Forchheimer model between Darcy model with the estimated coefficients a and b by inversion analysis and the falling head permeability (FHP) method.

24 得られた知見 Darcy K * Darcy Forchheimer Darcy K K K* Forchheimer K Darcy K s Darcy K*

25 まとめ Manning Darcy Forchheimer Forchheimer

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