共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 格子ボルツマン法を用いた都市気流の大規模計算
新規・継続の別 新規
研究代表者／所属 東京工業大学環境・社会理工学院
研究代表者／職名 助教
研究代表者／氏名 稲垣厚至

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 小野寺直幸 原子力研究開発機構 研究員

2

 長谷川雄太 原子力研究開発機構 研究員

3

 渡辺力 低温科学研究所 教授

研究目的 格子ボルツマン法LESモデルを開発し，都市気流を対象とした大規模な計算を実施する．格子ボルツマン法とは乱流の数値シミュレーション手法の一つであり，その計算アルゴリズムのため，GPGPUによる大規模並列計算効率が非常に高く，GPUで構成される既存の計算機資源を効果的に利用した，大規模な計算が可能である．これまでに，格子ボルツマン法LESモデルをベースに，熱による浮力，植生，ラグランジュ粒子モデルなどを導入しており，それらを用いた大規模な計算を実施している．本年度は各々のモデルの改良を行い，都市の大気境界層の大規模計算により都市キャノピー内外の流れの相互作用やその他大気現象の再現について検討した．
　　
研究内容・成果 本研究ではこれまで使用してきた格子ボルツマン法LESモデルについて次の改良を行った．（1）差分法で表現されていた熱の移流拡散に高次精度の差分法を導入した．（2）運動量に関する壁関数を導入して壁面近傍の風速と風速勾配を修正した．これらにより従来モデルで見られていた，壁床近傍の不自然な高温部分を解消することができた．
このモデルを用いて，新宿副都心部を中心とした大気境界層の計算を実施した．昨年度は同領域について等温条件での計算を実施したが，今回は上記の改良を施したモデルを用いて，不安定大気場の計算を実施した．計算領域を水平6.4×6.4km，鉛直1，200mとし，格子幅を2mとすることで，浮力で駆動される熱対流と，個々の建物周りの流れを同時に解析することができる条件を設定した．初期大気境界層高度を500mとし，底面及び全ての屋根面から一様に0.1K m/sの顕熱フラックスを与えた．水平方向の風速を与えず，浮力のみにより流れを駆動した．得られた結果として，上空で発達する対流混合層内では，各種乱流統計量の鉛直プロファイルは既存の経験則とよく一致し，地表面建物はゼロ面変位を修正するのみで，水平空間平均された各種プロファイル形状には顕著な影響を及ぼさなかった．局所的な瞬間構造について見てみると，高層建物が密集した地点の上空では上昇流及び下降流の強さが低減していることが高度100m程度まで確認できた．地上面付近（高度2m）では，地物の無い開けた地点においては上空の熱対流構造とほぼ連動した収束発散場が形成されており，建物が密集する街区の道路上ではそのような構造をはっきり確認することができなかった．これは，地物の影響により水平風速が阻害されたためと考えられる．
その他に，オクラホマシティの物質拡散実験の再現計算を実施した．昨年度は午前の実験について検討したが，今回は正午近くの大気境界層が十分発達した状態についての計算を行った．今回新たにモニン・オブコフ則を考慮した壁境界条件と，ナッジングによる流入条件の修正を導入し，それによる物質拡散挙動の再現結果の向上が見られた．
また，飛雪の巻き上げから風による輸送と重力沈降及び，流れ場へのフィードバックを考慮した，飛雪の動態モデルを格子ボルツマン法LESに組み込み，過去の観測データとの比較実験を行った．これにより雪面近傍の粒子密度分布が精度よく再現できることを確認した．
　　
成果となる論文・学会発表等 Watanabe T， Takagi M， Shimoyama K， Kawashima M， Onodera N， Inagaki A， 2021: Coherent eddies Transporting passive scalars through the plant canopy revealed by large-eddy simulations using the lattice Boltzmann method. Boundary-Layer Meteorol.， 181， 39-71.
https://doi.org/10.1007/s10546-021-00633-1
石川修平・渡辺力， 2022：格子ボルツマン法をベースとしたLagrange型地吹雪モ デルの開発， 日本農業気象学会2022年全国大会