JP2015099114A

JP2015099114A - 造波装置

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Publication number: JP2015099114A
Application number: JP2013239556A
Authority: JP
Inventors: 智裕上野; Tomohiro Ueno
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP6171883B2

Abstract

【課題】造波精度を向上させることができ、安定して長周期波を発生させることができる造波装置を提供する。【解決手段】水路２２を形成する水槽２と、水路２２の長手方向に向かって水流を発生させて波を発生させる水流発生手段４と、水路２２に配置され水流発生手段４により発生した水流を整流する整流板５と、を備え、水路２２は、整流板５の上流側における水面を覆うように半没水状に配置された制波板６を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、人工的に波を発生させる造波装置に関し、特に、長周期波を発生可能な造波装置に関する。

津波等の長周期波に対する浮体構造物や陸上構造物等の安定性や地形に与える影響等を検討するために、フラップ式、ダムブレイク式、フロート式、空気圧式、水流式等の実験装置が既に開発されている。特に、沿岸構造物の津波対策には、波力の推定が必要であり、これに適した水理実験技術の構築が望まれている。

ここで、フラップ式実験装置は、板を前後に移動させて波を発生させる装置であり、ダムブレイク式実験装置は、溜めた水を放流することによって波を発生させる装置であり、フロート式実験装置は、フロートを上下に振動させて波を発生させる装置であり、空気圧式実験装置は、水面に負荷する空気圧を変動させて波を発生させる装置であり、水流式実験装置は、水槽内で水流を発生させることにより波を発生させる装置である。

特許文献１に記載された実験装置は、水流式実験装置に関するものであり、水が満たされた水槽と、該水槽を貯水槽と実験槽とに分けるように前記水槽内に設けられる仕切板と、該仕切板に設けられ前記水槽内に津波を起こすポンプと、前記実験槽側の前記ポンプの近傍に配置された整流板と、を備え、前記ポンプを作動させて前記貯水槽内の水を前記整流板を介して前記実験槽に移送する水流を発生させることにより、前記実験槽内で津波を発生させるようにしている。かかる実験装置では、ポンプの回転数を制御することにより、長周期かつ正弦波の波を生成することができる。

特開２００２−３３２６２１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような実験装置において、ポンプ出口付近では噴流により強い渦が発生し、仕切板と整流板との間に不安定な流場が形成されて水面に波を生じ、この波は整流板を通過して生成される波にノイズとして伝播し、造波精度が低下してしまうという問題があった。また、ポンプ出口から水路に水を供給したときに、体積の上昇に伴ってポンプ出口近傍の水面が盛り上がり、ノイズを形成する波を生じてしまうという問題もあった。

本発明は、かかる問題点に鑑み創案されたものであり、造波精度を向上させることができ、安定して長周期波を発生させることができる造波装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、水路を形成する水槽と、前記水路の長手方向に向かって水流を発生させて波を発生させる水流発生手段と、前記水路に配置され前記水流発生手段により発生した水流を整流する整流板と、を備えた造波装置において、前記水路は、前記整流板の上流側における水面の少なくとも一部を覆うように半没水状又は没水状に配置された制波板を有する、ことを特徴とする造波装置が提供される。

前記制波板は、前記整流板に密接するように配置されていてもよい。また、前記制波板は、両側部が前記水槽の内面に密接するように配置されていてもよい。また、前記制波板の没水率は、水面高さに対して０〜１０％であってもよい。

また、前記水槽は、貯水槽と前記水路とに区分する仕切板を備え、前記水流発生手段は、前記貯水槽内の水を前記水路に供給することによって水流を発生させ、前記制波板は、前記整流板と前記仕切板との間に配置されていてもよい。さらに、前記制波板は、前記水流発生手段の吐出口を超えた位置まで延設されていてもよいし、前記仕切板に密接する位置まで延設されていてもよい。

上述した本発明の造波装置によれば、整流板よりも上流側における水面を覆う制波板を配置したことにより、水流発生手段からの水流によって水面に生じる波（ノイズ）を抑制することができ、整流板を通過して生成される波に伝播されるノイズを低減することができる。したがって、本発明の造波装置によれば、造波精度を向上させることができ、安定して長周期波を発生させることができる。

本発明の第一実施形態に係る造波装置を示す全体構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、を示している。図１に示した造波装置の拡大図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視断面図、を示している。図１に示した造波装置の効果を示す説明図であり、（ａ）は実験結果を示す波形図、（ｂ）は制波板を有しない従来の造波装置における側断面図、を示している。制波板の没水率に関する説明図であり、（ａ）はモデル概念図、（ｂ）は制波板の底面高さに対するノイズ振幅率を示す図、を示している。本発明の他の実施形態に係る造波装置を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。本発明の他の実施形態に係る造波装置を示す図であり、（ａ）は第四実施形態、（ｂ）は第五実施形態、（ｃ）は第六実施形態、（ｄ）は第七実施形態、を示している。

以下、本発明の実施形態について図１〜図６を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る造波装置を示す全体構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、を示している。図２は、図１に示した造波装置の拡大図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視断面図、を示している。なお、図１（ａ），（ｂ）及び図２（ａ）において水槽の厚さを省略してある。

本発明の第一実施形態に係る造波装置１は、図１（ａ）〜図２（ｂ）に示したように、水路２２を形成する水槽２と、水路２２の長手方向に向かって水流を発生させて波を発生させる水流発生手段４と、水路２２に配置され水流発生手段４により発生した水流を整流する整流板５と、を備え、水路２２は、整流板５の上流側における水面を覆うように半没水状に配置された制波板６を有している。また、水槽２は、貯水槽２１と水路２２とに区分する仕切板３を備え、水流発生手段４は、貯水槽２１内の水を水路２２に供給することによって水流を発生させ、制波板６は、整流板５と仕切板３との間に配置されている。

水槽２は、上部が開放された略直方体形状を有しており、長手方向に人工的な波を発生させるための容れ物である。水槽２は、仕切板３によって貯水槽２１と水路２２とに区分されている。貯水槽２１は、水路２２内に水流を発生させるための水を蓄える部分である。水路２２は、波を発生させる部分であり、津波等の長周期波を発生させることができるだけの十分な長さを有している。

また、水路２２の貯水槽２１と反対側の端部には、海底、陸地、岸壁、港湾設備等を模擬した模型２３が配置される。模型２３は、実験の用途に応じて適宜変更されるものであり、例えば、浮体構造物（船舶を含む）、地上設備であるタンクやビル等の建造物、防波堤や風力発電設備等を有していてもよい。

仕切板３は、水槽２の幅方向（短手方向）に亘って配置される板部材であり、水槽２を貯水槽２１と水路２２とに区分する。仕切板３は、不通水性を有し、貯水槽２１及び水路２２からの水圧に耐えられる強度を有する。水槽２と仕切板３との接点はシールしておくことが好ましい。また、仕切板３は、貯水槽２１又は水路２２から水が溢流しない程度の高さを有する。なお、仕切板３は、平板に限定されるものではなく、湾曲していてもよいし、段差を有していてもよい。

水流発生手段４は、貯水槽２１から水路２２に向かって水流を発生させて、水路２２内で目的の波を発生させる手段である。水流発生手段４は、例えば、貯水槽２１の水を汲み上げるポンプ４１と、汲み上げた水を水路２２に放出する配管４２と、により構成される。ポンプ４１は、図示しない電動モータ及び制御装置に接続されており、回転数や駆動時間が制御される。なお、水流発生手段４の構成は、図示したものに限定されるものではなく、ポンプ４１の台数、配管４２の構成等、適宜変更することができる。

配管４２は、水流を発生させたい位置に水を放出することができるように、湾曲した形状に形成され、水路２２内に配置された先端部により吐出口４３を形成する。配管４２は、ポンプ４１の配置位置と吐出口４３の配置位置とを接続することができる形状であれば、図示した形状に限定されるものではない。また、配管４２を仕切板３に貫通させて、仕切板３に配管４２を支持させることにより、配管４２を安定に固定することができ、振動等の発生を抑制することができる。

整流板５は、水路２２に供給された水流の断面積における速度分布を略均一となるように整流する板部材である。整流板５は、例えば、通水性を有する樹脂材や金属材により構成されるフィルターである。具体的には、整流板５は、立体網目形状を有する樹脂材により構成される。整流板５は、仕切板３に対して一定の距離だけ離隔した位置に、水槽２の幅方向（短手方向）に亘って配置される。整流板５の離隔距離は、水路２２に供給される水流の容積や速度に基づいて適宜設定される。なお、整流板５は、図示しない金具や支持部材等により水槽２に固定され、水圧によって損傷しない程度の強度を有する。

制波板６は、仕切板３と整流板５との間の水面の少なくも一部を覆う板部材である。仕切板３と整流板５との間の領域は、水流発生手段４により供給された水流を一時的に整流板５で堰き止め、均一な速度に整流するための領域である。水路２２に供給された水流が整流板５に堰き止められると水圧が上昇し、水は上方に逃げようとする。その結果、水面に波が形成されたり、整流板５から水を押し出す圧力が低下したりして、造波精度に影響を与える。そこで、本発明では、この水の上方への逃げ道を封止する手段として、制波板６を配置している。

制波板６は、図示したように、一端が整流板５に密接し、両側部が水槽２の内面に密接するように配置される。このように、制波板６を整流板５及び水槽２に密接するように配置することにより、整流板５に近接した位置における水面の変動を抑制することができ、整流板５の整流機能への影響を低減することができる。なお、制波板６は、通水性の低い素材、例えば、プラスチック、金属、木材等により構成される。

また、制波板６は、仕切板３に向かって延設されており、水流発生手段４の吐出口４３を超えた位置まで延設されている。すなわち、図１（ａ）及び（ｂ）に示したように、制波板６は、吐出口４３の位置Ｔよりも仕切板３に近接した位置まで延設されている。本実施形態では、配管４２に当接する位置まで仕切板３を延設している。このように、吐出口４３を超えた位置まで制波板６を配置することにより、吐出口４３から供給される水流による水面の盛り上がりを抑制することができ、水面に生じる波を抑制することができる。

なお、本実施形態では、仕切板３に近接した部分に制波板６により覆われない水面が僅かに存在しているが、整流板５から十分に離れていることから、仮にこの部分の水面が変動して波を生じたとしても、それが整流板５の整流機能に与える影響は無視することが可能である。

また、制波板６は一枚の板部材である必要はなく、複数の分割された板部材により構成するようにしてもよい。制波板６を複数の板材で構成した場合には連結部の隙間をシリコンやウレタン等で埋めるようにしてもよいし、複数の板材の外周に弾性体を配置して弾性体同士を密着させるようにしてもよい。また、制波板６の上面に補強材を構成する梁部材を配置するようにしてもよい。

図２（ａ）及び（ｂ）に示したように、制波板６は、水槽２に配置された支持部材７により支持される。支持部材７は、例えば、水槽２の側面部上面に固定された複数の支柱７１と、左右の支柱７１を連結するクロスバー７２と、クロスバー７２と制波板６とを連結するアーム７３と、を有する。かかる支持部材７により、制波板６を所定の高さで略水平に保持することができる。なお、支持部材７は、前後の支柱７１を連結する部材を有していてもよい。

また、アーム７３は、クロスバー７２に対して上下方向又は左右方向に相対移動可能に構成されていてもよいし、クロスバー７２は、支柱７１に対して上下方向に相対移動可能に構成されていてもよいし、支柱７１は、水槽２に対して前後方向に相対移動可能に構成されていてもよい。なお、支持部材７の構成は、制波板６を所定の高さに支持することができれば、図示した構成に限定されるものではない。

上述した本実施形態に係る造波装置１によれば、仕切板３と整流板５との間の水面を覆う制波板６を配置したことにより、水流発生手段４からの水流によって水面に生じる波（ノイズ）を抑制することができ、整流板５を通過して生成される波に伝播されるノイズを低減することができ、造波精度を向上させることができ、安定して長周期波を発生させることができる。

ここで、図３は、図１に示した造波装置の効果を示す説明図であり、（ａ）は実験結果を示す波形図、（ｂ）は制波板を有しない従来の造波装置における側断面図、を示している。図３（ａ）に示した波形図は、周期１６秒、波高０．１１ｍの波を生じさせた場合の図２（ａ）に示した点Ｐ（例えば、Ｘ＝１．５ｍの位置）における水位の変化を示したものである。ここで、目標水位を破線、本実施形態による計測水位を実線、従来の造波装置による計測水位を一点鎖線で示している。従来の造波装置１０は、図３（ｂ）に示したように、本実施形態と同様に、水槽２、仕切板３、水流発生手段４及び整流板５を有し、制波板６を有していないものである。

図３（ａ）に示したように、従来の造波装置１０の計測水位（一点鎖線）は、水位のピーク手前付近から波形の乱れが顕著に現れ、水位も目標値に比べて高くなっている。これは、図３（ｂ）において、一点鎖線で示したように、仕切板３と整流板５との間に制波板６が配置されていないことから、この水面は自由表面を形成し、水流発生手段４によって発生される水流によって意図しない波を生じ、これがノイズとなって整流板５を通過して生成される波に伝播し、波形に乱れを生じるためである。

それに対して、本実施形態に係る造波装置１の計測水位（実線）は、波形及び周期ともに目標水位（破線）と略一致している。これは、制波板６を配置したことにより、整流板５での圧損を強くかけることができ、整流板５の手前での強い渦による自由表面の拡散が抑制され、高周波成分を減衰させることができたためであるものと推察される。なお、両方の計測水位において、立ち上がりの過程で波形に差異が見られるが、この不一致はポンプ４１の低回転時における吐出流量追随性の問題であるものと推察される。

次に、制波板６の没水率について、図４（ａ）及び（ｂ）を参照しつつ説明する。ここで、図４は、制波板の没水率に関する説明図であり、（ａ）はモデル概念図、（ｂ）は制波板の底面高さに対するノイズ振幅率を示す図、を示している。図４（ａ）に示したように、水槽２の水面高さをＨｗ、制波板６の底面高さをＨｂとする。そして、水面高さＨｗを０．８ｍに設定し、制波板６の底面高さＨｂを０．７０〜０．８０の範囲で複数の波形シミュレーションを行い、そのノイズ振幅率を計測した結果を図４（ｂ）に示した。

ここで、「ノイズ振幅率」は、目標水位の波高（ここでは、０．１０ｍ）に対するノイズ振幅の割合（％）を意味している。ノイズ振幅は、上述した点Ｐにおける水位の時間経過を計測し、有効造波区間内における極大値及び極小値を抽出し、その差分を算出した数値（極大値−極小値）を意味している。

図４（ｂ）に示したように、本シミュレーションでは、制波板６の底面高さＨｂに対するノイズ振幅率は、（制波板６の底面高さＨｂ：ノイズ振幅率）＝（０．７０：１２）、（０．７２：１０）、（０．７３：７）、（０．７５：８）、（０．７８：７）、（０．８：４）、の関係を有していた。この結果、概ね制波板６を深く沈めるほどノイズが大きくなる傾向にあることが把握できた。そこで、ノイズ振幅率の許容値αとして１０％を選択すれば、制波板６の底面高さＨｂは、０．７２〜０．８０（ｍ）に範囲内に設定することが好ましい。いま、水面高さＨｗは０．８ｍであることから、制波板６の没水率は、水面高さＨｗに対して０〜１０％の範囲内に設定することが好ましい。

なお、参考までに、水面高さＨｗを超えた位置（具体的には、制波板６の底面高さＨｂが０．８２ｍである場合）のノイズ振幅率を計算したところ２０％の数値を示していた。これは、造波装置１が制波板６を有しない場合、制波板６を半没水状に配置した場合と比較して格段にノイズが多いことを意味している。

次に、本発明の他の実施形態に係る造波装置１について、図５（ａ）〜図６（ｄ）を参照しつつ説明する。ここで、図５は、本発明の他の実施形態に係る造波装置を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。図６は、本発明の他の実施形態に係る造波装置を示す図であり、（ａ）は第四実施形態、（ｂ）は第五実施形態、（ｃ）は第六実施形態、（ｄ）は第七実施形態、を示している。なお、上述した第一実施形態と同じ構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図６（ａ）〜（ｄ）において、支持部材７の図を省略してある。

図５（ａ）に示した第二実施形態に係る造波装置１は、制波板６を仕切板３に密接する位置まで延設したものである。すなわち、制波板６は、整流板５、水槽２の内面及び仕切板３に密接しており、仕切板３と整流板５との間の水面を完全に覆うようにしたものである。このように仕切板３と整流板５との間の水面を完全に覆うことにより、この領域における自由表面は消失し、水面に波（ノイズ）が生じることがなく、造波精度をより向上させることができる。

また、このように、仕切板３と整流板５との間の水面を完全に覆った場合には、制波板６を完全に没水させるようにしてもよい。制波板６の上面に形成された水面は自由表面を形成するものの、制波板６の下面に封止された水の水圧の変動によって影響を受けることがなく、波（ノイズ）を発生させる可能性は低い。かかる構成により、制波板６の板厚を薄くすることができ、制波板６の軽量化を図ることができ、支持部材７の簡素化を図ることができる。

図５（ｂ）に示した第三実施形態に係る造波装置１は、制波板６の上面を整流板５側から仕切板３側に下る傾斜面６１を形成したものである。かかる構成により、仕切板３と制波板６との間に隙間を有する場合であっても、制波板６の上面に乗り上げた水が整流板５に到達する可能性を低減することができ、ノイズの伝播を抑制することができ、造波精度を向上させることができる。

図６（ａ）に示した第四実施形態に係る造波装置１は、ピストン式実験装置に本発明を適用したものである。本実施形態における水流発生手段４は、水槽２の上流側に配置されたピストン装置４４を有している。ピストン装置４４は、整流板５の上流側でピストンヘッドを往復動させることによって水路２２内で水流を発生させる。制波板６は、例えば、整流板５及びそれよりも上流側の水槽２の内面に密接するように配置される。

図６（ｂ）に示した第五実施形態に係る造波装置１は、ダムブレイク式実験装置に本発明を適用したものである。本実施形態における水流発生手段４は、水槽２の上流側に配置された貯水槽４５と、貯水槽４５の下部に開閉可能に配置された水門４６と、を有している。水流発生手段４は、水門４６を閉じた状態で貯水槽４５に所定量の水を蓄え、水門４６を開放することによって水路２２内で水流を発生させる。制波板６は、例えば、整流板５と水門４６との間に密接するように配置される。

図６（ｃ）に示した第六実施形態に係る造波装置１は、フロート式（又はプランジャ式）実験装置に本発明を適用したものである。本実施形態における水流発生手段４は、水槽２の上流側に上下動可能に配置されたフロート４７を有している。水流発生手段４は、整流板５の上流側の水面付近でフロート４７を上下動さることによって水路２２内で水流を発生させる。制波板６は、例えば、整流板５及びそれよりも上流側の水槽２の内面に密接するように配置され、フロート４７の設置空間部分のみ水面が開放されている。

図６（ｄ）に示した第七実施形態に係る造波装置１は、チャンバ式（又は空気圧式）実験装置に本発明を適用したものである。本実施形態における水流発生手段４は、水槽２の上流側に配置された貯水槽４８と、貯水槽４８内を加圧するエアポンプ４９と、を有している。水流発生手段４は、貯水槽４８に所定量の水を蓄えた後、エアポンプ４９を作動させて水面を加圧することによって水路２２内で水流を発生させる。制波板６は、例えば、整流板５と貯水槽４８との間に密接するように配置される。

本発明は上述した実施形態に限定されず、水路２２内で水流を発生可能な全ての水流式実験装置に適用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１造波装置
２水槽
３仕切板
４水流発生手段
５整流板
６制波板
７支持部材
１０造波装置
２１貯水槽
２２水路
２３模型
４１ポンプ
４２配管
４３吐出口
４４ピストン装置
４５貯水槽
４６水門
４７フロート
４８貯水槽
４９エアポンプ
６１傾斜面
７１支柱
７２クロスバー
７３アーム

Claims

水路を形成する水槽と、前記水路の長手方向に向かって水流を発生させて波を発生させる水流発生手段と、前記水路に配置され前記水流発生手段により発生した水流を整流する整流板と、を備えた造波装置において、
前記水路は、前記整流板の上流側における水面の少なくとも一部を覆うように半没水状又は没水状に配置された制波板を有する、ことを特徴とする造波装置。
前記制波板は、前記整流板に密接するように配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の造波装置。
前記制波板は、両側部が前記水槽の内面に密接するように配置されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の造波装置。
前記制波板の没水率は、水面高さに対して０〜１０％である、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の造波装置。
前記水槽は、貯水槽と前記水路とに区分する仕切板を備え、前記水流発生手段は、前記貯水槽内の水を前記水路に供給することによって水流を発生させ、前記制波板は、前記整流板と前記仕切板との間に配置されている、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の造波装置。
前記制波板は、前記水流発生手段の吐出口を超えた位置まで延設されている、又は、前記仕切板に密接する位置まで延設されている、ことを特徴とする請求項５に記載の造波装置。