報告書番号

O17001

タイトル（和文）

起伏のある地形を移動する竜巻状渦の数値計算

タイトル（英文）

Numerical simulations of translating tornado-like vortices on undulating terrain

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背 景
原子力発電所の安全対策には設計竜巻風速値の設定が必要である。切り立った海岸に立地する場合や、背後に山がそびえる場合、周辺の局所地形の影響評価が求められる。起伏のある地形を移動する竜巻の観測は少なく、現象解明や評価法確立には数値計算や実験の応用が期待される。地形の影響として、渦下層部の流れへの影響と、積乱雲などの竜巻発生要因への影響の二点が考えられる。これまで、渦下層部の流れは力学的手法により、竜巻発生要因は熱力学的手法により個別に追究されてきた。地形影響を明らかにするには、それぞれに適した数値モデルを作成し、特性を把握する必要がある。
目 的
竜巻への起伏の影響を考慮できる二つの数値モデルを作成する。続いて、計算結果の妥当性を検証し、起伏のある地形を移動する竜巻への適用性を調べる。
主な成果
力学的手法では機械的な強制力を、熱力学的手法では密度差による浮力を竜巻発生機構とした数値モデルを作成した。流体解法は複雑三次元流れに適しているラージ・エディ・シミュレーション法に基づいた。
1.力学的手法による結果
既往の実験条件を模擬して竜巻を再現した（図1）。計算された風速分布の観測事例との整合性を検証し、起伏のある地形を設定した計算が可能なことを確認した（図2）。
2.熱力学的手法による結果
局地前線に伴う非スーパーセル型竜巻を再現した。先行研究との比較により妥当性を検証し（図3、図4）、起伏のある地形を設定した計算が可能なことを確認した。
3.起伏のある地形を移動する竜巻への適用性
双方の手法のいずれでも観測と類似した性質を示す検討ケースが確認された。しかし、普遍的な特性の把握には多くのパラメータ検討の必要性が示唆された。
竜巻上部構造に定常性を仮定していることから、力学的手法は小規模な地形起伏の影響を評価するのに適当である。一方、計算規模の制約により、熱力学的手法は大規模な地形起伏の影響を評価するのに適当である（表1）。
今後の展開
地形起伏の大小は定性的な判断によっていることから、双方の数値モデルの適用範囲について、観測等の事例を参照しつつ明らかにする。また、より少ないパラメータ設定で簡便に統計的性質が算出できる流体解法の検討を行う。

概要 （英文）

The effect of topography on the tornadoes is one of issues that need to be addressed in the assessment of the design-basis tornado by Nuclear Regulation Authority in Japan. We investigated the method of numerical simulation for the dynamics of translating tornado-like vortex (TLV). Two numerical model frameworks were used. The one is the computational fluid dynamic model (CFD model). We mechanically forced the evolution of vortex following the method that experimentalists often use to recreate the TLV in a laboratory scale. The other is a simplified meteorological model (a cloud-resolving model). The initial and the boundary conditions favorable to the genesis of TLV by thermodynamical imbalance were implemented in the numerical configuration.
We validated the performance of the CFD model on TLV's characteristics from a view of similarity to the empirical profile of the radial velocity, and validated the performance of the cloud model by examining the time-history of the maximum vertical vorticity, the horizontal velocity, and the pressure deficit.
By parameterizing heights of the hill, the tendency of the velocity modulation is examined in CFD model. Also in the cloud model, the hill was conditioned with several heights and in several location of the propagating TLV. Some of the results may capture corresponding tendency in the observation; however, the both of model configuration contain diversity in initial, and boundary conditions. Owing to the method of generating TLV, CFD model is likely to be applicable to modest-scale topography. On the other hand, because of the large scale of perturbation in meteorology to be resolved, the cloud-resolving model may be beneficial to evaluate the effect of large-scale topography. The investigation on a limitation of the models applicability to the topography size will be focused as a next step.

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