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論文

Development of a combined LES/RANS model to predict atmospheric dispersion over urban areas

吉田 敏哉; 中山 浩成

日本計算工学会論文集(インターネット), 2020, p.20200013_1 - 20200013_9, 2020/07

都市域で放出された有害物質の拡散を迅速かつ正確に予測するため、large-eddy simulation (LES)モデルで事前計算した流れ場を用いて、Reynolds-averaged Navier-Stokesモデルにより拡散シミュレーションを行う結合モデルを提案した。まず、本モデルを簡易なストリートキャニオン内における物質拡散に適用した。その結合モデルの結果を風洞実験と比較し、乱流スカラーフラックスの経験パラメータを調整した。最適化したパラメータを使用した場合、結合モデルが予測した水平拡散分布はLESモデルの計算結果とよく一致することが分かった。続いて、結合モデルを実在都市上の物質拡散予測へ適用した。その結果、結合モデルは短い計算時間でLESモデルに近い計算精度を示すことができた。以上より、結合モデルは都市域にて危険物質が放出された際の即時評価に対し、有効なモデルになりうると考える。

論文

Development of the data assimilation method suitable for large-eddy simulation model using the vibration equation

中山 浩成; 竹見 哲也*

Proceedings of 19th International Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes (HARMO-19) (USB Flash Drive), 5 Pages, 2019/06

データ同化手法は、数値モデルに観測値を入力してより現実に近い結果を出せるように計算値を修正していく技術である。しかしながら、これまでの手法は主に広域スケールを対象とした気象モデルのために開発されたものであり、通常用いられる観測値も10分から1時間程度の間隔で時間平均されたものが多い。そのため、従来の手法は、瞬間的に変化する乱流スケールの風速変動を考慮できず、乱流の非定常計算を行うlarge-eddy simulation(LES)モデルには適さないという問題があった。そこで本研究では、振動方程式を使用して平均風速の観測データをLESモデルに融合するデータ同化手法を開発した。試計算として、まず上流側において1/7べき指数の風速分布を持つ接近流を作成し、本データ同化手法を用いて1/4べき指数の風速分布に近づけることを試みた。その結果、振動方程式中の固有角振動数を接近流が持つ風速変動のピーク振動数よりも小さくすると、乱流スケールの短周期変動性状を維持しつつターゲットとする平均風速分布に近づけることができた。以上により、振動方程式を用いた本データ同化手法はLESモデルに適合した手法として有効に利用できる可能性が示唆された。

論文

Large-eddy simulation studies for predicting plume concentrations around nuclear facilities using an overlapping technique

中山 浩成; 竹見 哲也*

International Journal of Environment and Pollution, 64(1/3), p.125 - 144, 2018/00

原子力緊急時において、プルーム拡散挙動や汚染域の空間分布などの詳細情報を得るために、Large-Eddy Simulation(LES)に基づく計算流体力学モデルの活用が有効である。しかしながら、LESによる非定常計算の実行に膨大な時間が必要であることが緊急時の適用において課題となっている。そのため、局所域スケールでの大気拡散挙動を迅速かつ詳細に予測できる計算手法の開発を目的とする。本研究で提案する手法は、初めに、代表的な風速データを入力条件として与えた仮想気象条件下で原子力施設から点源放出されたプルームの大気拡散計算を36風向について行い、10分平均での風速と濃度のデータを各風向毎に作成する。次に、風洞実験で用いる重合法を応用して、対象期間での濃度分布を、平均風向の出現頻度に応じて10分平均濃度分布を重ね合わせて評価する。本手法の妥当性を調べるために、観測データを入力条件として与えた実気象条件下での大気拡散計算を行い、重合法により推定された濃度分布と比較した。その結果、変化する気象状況下での1時間平均濃度分布と良好に対応することが示された。これにより、重合法を用いた局所域大気拡散計算手法は即時対応が可能であることが示唆された。

論文

LES studies for predicting plume concentrations around nuclear facilities using an overlapping technique

中山 浩成; 竹見 哲也*

Proceedings of 18th International Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes (HARMO-18) (USB Flash Drive), p.843 - 847, 2017/10

原子力緊急時において、プルーム拡散挙動や汚染域の空間分布などの詳細情報を得るために、Large-Eddy Simulation(LES)に基づく計算流体力学モデルの活用が有効である。しかしながら、LESによる非定常計算の実行に膨大な時間が必要であることが緊急時の適用において課題となっている。そのため、重合法を用いることにより局所域スケールでの大気拡散挙動を迅速かつ詳細に予測できる計算手法の開発を目的とする。本研究で提案する重合法は、初めに、代表的な風速データを入力条件として与えた仮想気象条件下での原子力施設から点源放出されたプルームの大気拡散計算を36風向について行い、10分平均での風速と濃度のデータを各風向毎に作成する。次に、対象期間での濃度分布を、風向変動の出現頻度に応じて10分平均濃度分布を重ね合わせて評価する。本手法の妥当性を調べるために、観測データを入力条件として与えた実気象条件下での大気拡散計算を行い、重合法による濃度分布と比較した。その結果、変化する気象状況下での1時間平均濃度分布と良好に対応することが示された。これにより、重合法を用いた局所域大気拡散計算手法は即時対応が可能であることが示唆された。

論文

Development of local-scale high-resolution atmospheric dispersion model using Large-Eddy Simulation. 5; Detailed simulation of turbulent flows and plume dispersion in an actual urban area under real meteorological conditions

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Journal of Nuclear Science and Technology, 53(6), p.887 - 908, 2016/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:31.55(Nuclear Science & Technology)

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。本研究は、気象モデルとLESモデルとの結合により、2003年米国オクラホマシティーで行われた野外都市拡散実験を対象にして、実気象条件下において局所域詳細拡散シミュレーションを行ったものである。モデルの結合の際、任意の気象シミュレーションデータが取り込めるようにLESモデルの流入境界条件の改良を行った。野外実験結果の風速・風向分布と比較すると良好に再現した計算結果が得られた。また、個々の都市建築構造物の影響の激しい所で測定された濃度変動データを計算結果と比較すると、平均値だけでなくピーク値なども良好に再現していることが分かった。これらにより、本詳細大気拡散計算手法の有効性を示すことができた。

報告書

Local-scale high-resolution atmospheric dispersion model using large-eddy simulation; LOHDIM-LES

中山 浩成; 永井 晴康

JAEA-Data/Code 2015-026, 37 Pages, 2016/03

JAEA-Data-Code-2015-026.pdf:2.48MB

数km四方の局所域スケールにおいて詳細に大気拡散計算を行える数値シミュレーションモデル、局所域高分解能大気拡散モデルを開発した。このモデルは、非定常挙動予測に優れたLarge-Eddy Simulation乱流モデルに基づき設計されている。基本方程式は、連続の式、流体運動方程式、空気中濃度の輸送方程式により構成されている。建造物や局所地形は数m程度の高分解能計算格子で精緻に解像され、それらの乱流効果は境界埋め込み法によって表現されている。大気乱流場の再現にあたっては、主解析領域の上流側に乱流駆動領域を設け、リサイクリング手法によって境界層乱流を作り出している。この乱流変動風を主解析領域に時々刻々与えることで、計算対象領域における大気乱流および拡散挙動を詳細に評価できるようになっている。

論文

The Numerical analysis of the capping inversion effect in a convective boundary layer flow on the contaminant gas dispersion

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Procedia Earth and Planetary Science, 15, p.560 - 565, 2015/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

局所域高分解能大気拡散モデルは、建物・地形効果に加え、温度成層効果も考慮できるようになっており、代表的な大気安定度に対しては基本性能は実証されている。今回は、温度条件を様々に変えることで各種大気不安定境界層乱流を作り出し、風洞実験結果と比較検証を行った。さらにそれぞれのケースにおいて大気拡散計算も行い、摩擦速度に対する対流速度スケールの比を基にプルーム拡散の濃度分布パターンの類型化を行った。その結果、そのスケール比が0.34を上回る弱不安定時ではプルームの着地はかなり風下側で見られたが、それを下回るような強不安定時ではいち早く着地することなどが分かった。

論文

Large-Eddy Simulation of turbulent winds during the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident by coupling with a meso-scale meteorological simulation model

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 12(1), p.127 - 133, 2015/00

 被引用回数:7 パーセンタイル:5.71

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルを用いた局所域大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。今回は、領域気象モデルとLESモデルとの結合により、2011年3月11日に東日本大震災により引き起こされた福島第一原子力発電所(福島第一原発)の事故時における風況場を対象に局所域乱流数値シミュレーションを行った。福島第一原子力発電所は、原子力施設に加え局所的に地表面の起伏があり、複雑な地表面形状を有している。本発表では、結合計算手法により得られた建物や局所地形の影響下での風況場の乱流構造について報告する。

論文

Large-Eddy Simulation of plume dispersion under various thermally stratified boundary layers

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 11, p.75 - 81, 2014/07

 被引用回数:7 パーセンタイル:2.6

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)に基づく局所域高分解能大気拡散予測モデルの開発とその導入を目指している。今回は、まず、大気が安定・不安定成層化した境界層乱流を作り出し、それぞれのケースにおいて大気拡散計算を行う。既往の拡散風洞実験及び理論解との比較により再現性について議論をし、本LESモデルの性能評価を行う。

論文

Development of local-scale high-resolution atmospheric dispersion model using Large-Eddy Simulation, 4; Turbulent flows and plume dispersion in an actual urban area

中山 浩成; Leitl, B.*; Harms, F.*; 永井 晴康

Journal of Nuclear Science and Technology, 51(5), p.626 - 638, 2014/02

 被引用回数:12 パーセンタイル:21.02(Nuclear Science & Technology)

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。本研究では、数m程度の高分解能計算格子により実在都市市街地を解像し、数値シミュレーションを行った。その結果、平均風速,乱流強度,濃度の空間分布パターンは全体的に良好に対応していることが示された。今回設定した個々の建物に対する格子数を考慮すると、本計算結果は妥当であり、LESモデルの基本的性能が示された。

論文

WSPEEDIによる福島原発事故時の放射性物質拡散予測について

中山 浩成; 永井 晴康

日本風工学会誌, 38(4), p.396 - 403, 2013/10

2011年3月11日に発生した東日本大震災により引き起こされた福島第一原子力発電所事故により、大量の放射性物質が大気中に放出された。この事故では、震災により発生した地震や津波などにより電源喪失が引き起こされ、放射線測定のための環境モニタリングポストなどが作動せず、事故初期においては放出率情報が不明であったため、事故の規模や公衆の被ばく線量予測のために放出量を算定することが喫緊の課題となっていた。本稿では、これらの解析で重要な役割を果たした大気拡散シミュレーションについて、原子力機構の予測システム開発と福島第一原子力発電所事故への適用の概要を説明する。

論文

Development of local-scale high-resolution atmospheric dispersion model using Large-Eddy Simulation, 3; Turbulent flow and plume dispersion in building arrays

中山 浩成; Jurcakova, K.*; 永井 晴康

Journal of Nuclear Science and Technology, 50(5), p.503 - 519, 2013/05

 被引用回数:9 パーセンタイル:32.61(Nuclear Science & Technology)

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。本研究では、高分解能計算格子により整形配列された立方形状の建物を解像し、都市域に相当する3種の粗度密度の建物群を対象にして数値シミュレーションを行った。その結果、建物配置の違いによる乱流場・拡散場の分布パターン、濃度変動の時系列データや瞬間高濃度が実験結果と良好に対応していることが示された。これらにより、本LESモデルの妥当性が示された。

論文

Reconstruction of the atmospheric releases of $$^{131}$$I and $$^{137}$$Cs resulting from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident

茅野 政道; 寺田 宏明; 堅田 元喜; 永井 晴康; 中山 浩成; 山澤 弘実*; 平尾 茂一*; 大原 利眞*; 滝川 雅之*; 速水 洋*; et al.

NIRS-M-252, p.127 - 135, 2013/03

福島第一原子力発電所事故に伴い大気中に放出された$$^{131}$$I及び$$^{137}$$Csの放出推移について、環境モニタリングデータと1Bq/hの単位放出を仮定した大気拡散シミュレーション計算から逆推定した。この推定法では、大気放出率は、測定された大気中濃度を、計算シミュレーションにより得られる測定点での濃度で割ることにより求めることができる。大気中濃度の測定値がない場合には、放出核種の組成割合を仮定して、空間線量率をもとにした推定も可能である。推定によれば、$$^{131}$$Iの放出は、10$$^{13}$$$$sim$$10$$^{14}$$Bq/hの放出に引き続き、10$$^{15}$$Bq/hを超える大量の放出が2011年3月15日に起き、16日以降24日頃まで10$$^{14}$$Bq/hオーダーで継続し、その後、徐々に減少している。これらの結果は、他の放出量推定法による結果や、本推定値を用いたさまざまな大気拡散・沈着量計算結果の実測値との比較により検証しており、推定値は少なくとも放射性プルームが陸側に流れている期間については合理的であることが示された。

論文

Large-Eddy Simulation of plume dispersion within various actual urban areas

中山 浩成; Jurcakova, K.*; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 10, p.33 - 41, 2013/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:4.49

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。今回は、高分解能計算格子により数種の特徴的な地表面形状を示す実在都市域を精緻に解像し、それぞれの都市域での点源拡散に関するLES解析を行った。本発表では、都市形態と平均濃度・変動濃度の空間分布パターンとの関連性について考察し、都市域内での拡散プルームが、建築構造物により大きく受ける影響範囲を定量的に示し、議論するものである。

論文

Large-Eddy Simulation of urban boundary-layer flows by generating turbulent inflows from mesoscale meteorological simulations

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Atmospheric Science Letters, 13(3), p.180 - 186, 2012/07

 被引用回数:38 パーセンタイル:20.52(Geochemistry & Geophysics)

本研究では、気象モデルとLarge-Eddy Simulation(LES)モデルを融合することで、現実都市での風速変動を定量的に解析する技術を構築することを目的とする。解析対象領域を東京都心部(大手町・丸の内地区)とし、2009年台風18号の通過に伴って生じた強風・突風を定量的に評価することを試みる。気象モデルとしてWeather Research and Forecasting(WRF)モデルを用い、気象庁メソ客観解析値を初期値・境界値条件として、WRFモデルに与え、台風18号の領域気象シミュレーションを行った。次に、WRFモデルで得られた風速データをLESモデルの流入境界に与え、乱流流入生成技術を用いて都市風速変動のシミュレーションを実行した。その結果、気象庁観測点での風速変動が、LESのものとよく対応することが示された。

論文

Large-Eddy Simulation of turbulent flow and plume dispersion in a spatially-developing turbulent boundary layer flow

中山 浩成

Numerical Simulations (Internet), p.331 - 346, 2011/10

非定常現象の予測に優れたLES(Large-Eddy Simulation)乱流モデルの導入により、原子力施設から排出される放射性物質の拡散現象を建物スケールで詳細評価できる高分解能大気拡散モデルの予測手法について解説する。ここでは特に、LES大気乱流拡散解析において重要となる大気乱流の生成手法,建物効果の表現,建物周りの乱流構造と濃度変動特性や計算予測精度について詳細に議論する。

論文

Large-Eddy Simulation of plume dispersion within a regular array of cubic buildings

中山 浩成; 永井 晴康

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 2, p.463 - 469, 2011/10

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation (LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。今回は、高解像度化された立方形状の建物が整形配列された建物群内での点源拡散された場合を対象にしたLES解析を行い、拡散数値シミュレーションの妥当性並びに物質拡散過程を調べた。その結果、まず、平均濃度や濃度変動分布並びに濃度フラックスなどが拡散風洞実験結果と良好な対応性を示すことが確認された。さらに、個々の建物から生成される剥離や循環流などの局所的乱流場の影響により、拡散物質が周辺の建物後流域に巻き込まれることにより徐々に拡がっていく挙動などが明らかにされた。

論文

Application of numerical simulation to predict the environmental transport of radioactive materials discharged from Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant due to accident

永井 晴康; 茅野 政道; 寺田 宏明; 堅田 元喜; 中山 浩成; 太田 雅和

Proceedings of International Symposium on Disaster Simulation & Structural Safety in the Next Generation (DS '11), p.369 - 374, 2011/09

福島第一原子力発電所事故に起因する被ばく線量を評価するために、SPEEDI, WSPEEDI-II、及び大気・陸域・海洋の包括的物質動態予測システムSPEEDI-MPのシミュレーションにより、放射性物質の環境中時空間分布を解析している。まず初めに、SPEEDIとWSPEEDI-IIの大気拡散シミュレーションと環境モニタリングデータを融合して、大気中に放出された放射性物質の放出量を推定した。次いで、WSPEEDI-IIによる局地域の詳細拡散解析を実施して、プラント北西部の高線量域の形成メカニズムを解明した。今後は、SPEEDI-MPを適用し、環境中の放射性物質分布に関するさらなる解析結果を提供する計画である。

論文

LES analysis of the aerodynamic surface properties for turbulent flows over building arrays with various geometries

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Journal of Applied Meteorology and Climatology, 50(8), p.1692 - 1712, 2011/08

 被引用回数:23 パーセンタイル:39.12(Meteorology & Atmospheric Sciences)

本研究では、都市タイプの地表面上の空力的粗度特性について議論をしている。まず最初に、東京都心を対象に地表面形態を定量的に調べ、粗度密度と建物高さ変動係数の分布性状を明らかにした。次に、これらのパラメータのさまざまな組合せに対応した建物群上のLarge-Eddy Simulation(LES)乱流解析を行い、空力的粗度(粗度長,抗力係数)をそれぞれ求めた。LES解析で得られた地表面形態のパラメータと空力的粗度との関係を用いて東京都心の空力的粗度分布を推定した。その結果、従来の粗度密度のみをパラメータとした場合、空力的粗度は既往論文と比較して過小評価された。一方で、粗度密度のみならず建物高さ変動係数をもパラメータとした場合、既往論文と同等の空力的粗度を評価することができた。これらのLESによる粗度密度と建物高さ変動係数を関数として評価された空力的粗度は、気象モデルへ都市効果を組み込む際に有効であることが示された。

論文

LES of flow and plume dispersion within and over various obstacle arrays

中山 浩成; Jurcakova, K.*; 永井 晴康

Proceedings of International Workshop on Physical Modelling of Flow and Dispersion Phenomena (PHYSMOD 2011) (CD-ROM), 8 Pages, 2011/08

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。本研究では、高分解能計算格子により整形配列された立方形状の建物を解像し、都市域に相当する3種の粗度密度の建物群を対象にして数値シミュレーションを行った。その結果、建物配置の違いによる乱流場・拡散場の分布パターンが実験結果と良好に対応していることが示された。さらに、建物配置の違いによる高濃度の出現特性の違いについても明らかにされた。

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