(57)【要約】【課題】水域の種類、深さ、状態にかかわらず利用可能であり、自然エネルギーの活用を中心とした水域の浄化方法及び浄化装置を提供する。【解決手段】浄化対象水域３０の水面には、渦輪２０を発生させる容器１０が配置され、容器１０の底面近傍で発生された渦輪２０が、水底に到達することにより、少なくとも底層の浮遊汚濁物質３３を含む水を撹拌する。容器１０は、上端が開放され、かつ下端にオリフィス１１を有しており、下端が水中に存在するように配置したときの、オリフィス１１と水との相対運動により、渦輪２０を発生するものである。【選択図】図１
2004089781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水域の浄化方法であって、
前記水域の水中で発生させた渦輪を前記水域の水底に到達させることを含む浄化方法。
【請求項２】
請求項１記載の浄化方法であって、
上端が開放され、かつ下端にオリフィスを有する容器を、前記下端が前記水域の水中に存在するように配置したときの、前記オリフィスと前記水域の水との相対運動により、前記渦輪を発生させるものである浄化方法。
【請求項３】
請求項２記載の浄化方法であって、
前記相対運動は、前記容器の上端を空中に配置し、かつ前記オリフィスの鉛直方向位置を実質的に一定にしたときの、前記水域の自由水面の変動によるものである浄化方法。
【請求項４】
請求項３記載の浄化方法であって、
前記自由水面の変動は、前記水面に発生する波によるものである浄化方法。
【請求項５】
請求項３又は４記載の浄化方法であって、
前記容器を複数個いかだ状に一体化することにより、前記オリフィスの鉛直方向位置を実質的に一定にするものである浄化方法。
【請求項６】
請求項３又は４記載の浄化方法であって、
前記容器に対して所定の浮力を付加し、前記オリフィスと前記水底との距離を所定値以下に制限することにより、前記オリフィスの鉛直方向位置を実質的に一定にするものである浄化方法。
【請求項７】
請求項２記載の浄化方法であって、
前記相対運動は、前記オリフィスを略鉛直方向に移動させることによるものである浄化方法。
【請求項８】
請求項７記載の浄化方法であって、
前記オリフィスの移動は、前記容器全体を前記水域の水中に配置し、前記オリフィスと前記水域の自由水面との距離を一定にしたときの前記自由水面の変動によるものである浄化方法。
【請求項９】
請求項８記載の浄化方法であって、
前記自由水面の変動は、前記水面に発生する波によるものである浄化方法。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の浄化方法であって、
前記容器に錘を付加し、前記自由水面に配置した浮き手段との距離を所定値以下に制限することにより、前記オリフィスと前記水域の自由水面との距離を実質的に一定にするものである浄化方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項記載の浄化方法であって、
前記渦輪は、マイクロバブルを含有するものである浄化方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項記載の浄化方法であって、前記渦輪は、分解、無機化等による前記汚濁物質の減少を促進させる物質を含有するものである浄化方法。
【請求項１３】
水域の浄化装置であって、
上端が開放され、かつ下端にオリフィスを有する容器を有し、
前記容器は、前記下端が前記水域の水中に存在するように配置され、
前記オリフィスと前記水域の水との相対運動により、渦輪を発生させるものである浄化装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の浄化装置であって、
前記容器は、前記上端が空中に、かつ前記オリフィスの鉛直方向位置が実質的に一定になるように配置されるものである浄化装置。
【請求項１５】
請求項１３又は１４記載の浄化装置であって、
前記容器は、複数個いかだ状に一体化されるものである浄化装置。
【請求項１６】
請求項１４記載の浄化装置であって、
さらに、前記容器に対して所定の浮力を付加する手段と、
前記オリフィスと前記水域の水底との距離を所定値以下に制限する距離制限手段とを有する浄化装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の浄化装置であって、
前記距離制限手段は、前記水底に設置されたアンカーと、前記アンカーと前記容器とを接続するワイヤを含む浄化装置。
【請求項１８】
請求項１３記載の浄化装置であって、
さらに、前記容器全体を前記水域の水中に配置し、前記オリフィスと前記水域の自由水面との距離を一定にする保持手段を有する浄化装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の浄化装置であって、
前記保持手段は、前記容器に付加された錘と、前記自由水面に配置された浮き手段と、前記浮き手段と前記容器との距離を所定値以下に制限する手段とを含む浄化装置。
【請求項２０】
請求項１３ないし１９のいずれか１項記載の浄化装置であって、
前記渦輪は、マイクロバブルを含有するものである浄化装置。
【請求項２１】
請求項１３ないし２０のいずれか１項記載の浄化装置であって、
前記渦輪は、分解、無機化等による前記汚濁物質の減少を促進させる物質を含有するものである浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水域における底層汚濁物質の浄化方法及び水域における底層汚濁物質の浄化を行う浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水域、特に河川、湖沼、内湾等の閉鎖性水域においては、底層の無酸素水塊の拡大、赤潮・アオコの発生、水質劣化、ヘドロの堆積等、さまざまな問題を引き起こしている。このような問題の原因となる汚濁物質（底面に堆積している物質と水中に浮遊する物質を含む。）を除去する方法として、ジェット噴流等により水底付近を撹拌して水中の酸素と結合させる方法がある。また、より多くの酸素を供給するため、マイクロバブルを水底に送り込む方法も提案されている。
【０００３】
しかし、水域の深さがある程度以上になると、噴流により撹拌したり、マイクロバブルを移送するエネルギーが非常に大きくなり、エネルギー消費の点で問題がある。また、浄化対象となる水域が陸地から離れている場合は、浄化設備の設置にも問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を解決するもので、水域の種類、深さ、状態にかかわらず利用可能であり、自然エネルギーの活用を中心とした水域の浄化方法及び浄化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の水域の浄化方法は、前記水域の水中で発生させた渦輪を前記水域の水底に到達させることを含むものである。渦輪は自己の力で移動する能力を有しているので、移動方向を水底に向けた方向に発生させることで、渦輪を水底に到達させることができる。そして、水底に到達すると、渦輪が輸送する運動量によって少なくとも水底付近の水を撹拌するため、水底付近の浄化が行われることになる。また、渦輪は、物質の輸送機能を有しているので、水域の表層の酸素濃度の高い水を底層に輸送するほか、分解、無機化等による汚濁物質の減少を促進するマイクロバブル等を容器内に入れる場合にはそれらが底層に輸送され、さらに浄化が促進される。
【０００６】
本発明の浄化方法は、上端が開放され、かつ下端にオリフィスを有する容器を、前記下端が前記水域の水中に存在するように配置したときの、前記オリフィスと前記水域の水との相対運動により、前記渦輪を発生させるものを含む。このとき、相対運動によりオリフィス端からせん断層が形成され、その巻き上がりによって渦輪が発生し、自己誘導速度により進行する。渦輪の進行方向は中層部に水平方向の流れがあれば偏向するから、水底の特定の位置を対象とすることはできないが、渦輪の循環が粘性や乱流拡散によって消滅しない限り渦輪は水底に向かって下降し続ける。したがって、このような発生方法をとることによって、発生させた渦輪を確実に水底のどこかの場所に到達させることができ、中層部での流れの影響は問題にする必要がない。
【０００７】
本発明の浄化方法における前記相対運動は、前記容器の上端を空中に配置し、かつ前記オリフィスの鉛直方向位置を実質的に一定にしたときの、前記水域の自由水面の変動によるものを含む。
【０００８】
本発明の浄化方法は、前記相対運動を発生させるための前記自由水面の変動を、前記水面に発生する波によって得るものを含む。このような方法によれば、相対運動させるための動力を自然界における波から得るため、低コストかつ継続的な浄化が可能となる。
【０００９】
本発明の浄化方法は、前記容器を複数個いかだ状に一体化することにより、前記オリフィスの鉛直方向位置を実質的に一定にするものを含む。波の波長に比べて十分大きな範囲にまたがっていかだ状に一体化することにより、オリフィスの位置は実質的に一定となり、渦輪を発生させるための構造が簡単になる。
【００１０】
本発明の浄化方法は、前記容器に対して所定の浮力を付加し、前記オリフィスと前記水底との距離を所定値以下に制限することにより、前記オリフィスの鉛直方向位置を実質的に一定にするものを含む。渦輪を発生させるための容器の設置個数を任意の数にすることができ、状況に応じた水域の浄化が可能となる。
【００１１】
本発明の浄化方法における前記相対運動は、前記オリフィスを略鉛直方向に移動させることによるものを含む。このような構成によれば、一定範囲の強さの渦輪を発生させることができる。
【００１２】
本発明の浄化方法における前記オリフィスの移動は、前記容器全体を前記水域の水中に配置し、前記オリフィスと前記水域の自由水面との距離を一定にしたときの前記自由水面の変動によるものを含む。この方法によれば、水域の水中の所定の深度においても渦輪を発生させることができる。
【００１３】
本発明の浄化方法は、上記オリフィスを移動させるための前記自由水面の変動を、前記水面に発生する波から得るものを含む。このような方法によれば、相対運動させるための動力を自然界における波から得るため、低コストかつ継続的な浄化が可能となる。
【００１４】
本発明の浄化方法は、前記容器に錘を付加し、前記自由水面に配置した浮き手段との距離を所定値以下に制限することにより、前記オリフィスと前記水域の自由水面との距離を実質的に一定にするものを含む。
【００１５】
本発明の浄化方法における前記渦輪は、マイクロバブルを含有するものを含む。また、本発明の浄化方法における前記渦輪は、分解、無機化等による前記汚濁物質の減少を促進させる物質を含有するものを含む。このような物質を渦輪に含有させると、水域の浄化がさらに促進される。
【００１６】
本発明の水域の浄化装置は、上端が開放され、かつ下端にオリフィスを有する容器を有し、前記容器は、前記下端が前記水域の水中に存在するように配置され、前記オリフィスと前記水域の水との相対運動により、渦輪を発生させるものである。このように構成すると、渦輪が水底に向けた方向に発生する。渦輪は自己の力で移動する能力を有しているので、渦輪を水底に到達することになる。そして、水底に到達すると、渦輪が輸送する運動量によって少なくとも水底付近の水を撹拌するため、水底付近の浄化が行われることになる。また、渦輪は、物質の輸送機能を有しているので、水域の表層の酸素濃度の高い水を底層に輸送するほか、汚濁物質の分解、無機化等による汚濁物質の減少を促進するマイクロバブル等を容器内に入れる場合にはそれらが底層に輸送され、さらに浄化が促進される。
【００１７】
本発明の浄化装置における前記容器は、前記上端が空中に、かつ前記オリフィスの鉛直方向位置が実質的に一定になるように配置されるものを含む。
【００１８】
本発明の浄化装置における前記容器は、複数個いかだ状に一体化されるものを含む。一定個数以上の容器を一体化すると、水面の波の存在にかかわらず、個々の容器の鉛直方向位置がほぼ一定となり、オリフィスと自由水面との相対運動によって渦輪を発生させることができる。
【００１９】
本発明の浄化装置は、前記容器に対して所定の浮力を付加する手段と、前記容器と前記水域の水底との距離を所定値以下に制限する距離制限手段とを有し、その鉛直方向位置が実質的に一定になるように配置されるものである。前記距離制限手段は、前記水底に設置されたアンカーと、前記アンカーと前記容器とを接続するワイヤを含んで構成することができる。このように構成すると、渦輪を発生させるための容器の設置個数を任意の数にすることができ、状況に応じた水域の浄化が可能となる。
【００２０】
本発明の浄化装置は、前記容器全体を前記水域の水中に配置し、前記オリフィスと前記水域の自由水面との距離を一定にする保持手段をさらに含んでおり、前記オリフィスと前記水域の水とを相対運動させるものを含む。
【００２１】
また、本発明の浄化装置における前記保持手段は、前記容器に付加された錘と、前記自由水面に配置された浮き手段と、前記浮き手段と前記容器との距離を所定値以下に制限する手段とを含むものである。
【００２２】
本発明の浄化装置における前記渦輪は、マイクロバブルを含有するものである。また、本発明の浄化装置における前記渦輪は、分解、無機化等による前記汚濁物質の減少を促進させる物質を含有するものである。このような物質を渦輪に含有させると、水域の浄化がさらに促進される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明は、渦輪の持つ運動量・物質輸送機能に着目し、水中で発生された渦輪を、水底に到達させ、少なくとも水底付近の水を撹拌させ、汚濁物質の堆積を防ぎ、分解、無機化等による汚濁物質の減少を促進させ、水域の浄化を行うものである。すなわち、渦輪は、水底に到達すると、渦輪が輸送する運動量によって少なくとも水底付近の水を撹拌するため、水底付近の浄化が行われることになる。また、渦輪は、物質の輸送機能を有しているので、水域の表層の酸素濃度の高い水を底層に輸送するほか、分解、無機化等による汚濁物質の減少を促進するマイクロバブル等を容器内に入れる場合にはそれらが底層に輸送され、さらに浄化が促進される。
【００２４】
図１に、本発明の浄化方法の実施の形態の一例の概略構成を示す。浄化対象水域３０の水面には、渦輪２０を発生させる容器１０が配置され、容器１０の底面近傍で発生された渦輪２０が水底に到達し、少なくとも底層の浮遊汚濁物質３３を含む水が撹拌される。渦輪の強さによっては堆積汚濁物質３４をも撹拌する。容器１０は、上端が開放され、かつ下端にオリフィス１１を有しており、下端が水中に存在するように配置したときの、オリフィス１１と水との相対運動により、渦輪２０を発生させるものである。一例として、容器１０を、上端が空中にかつ下端が水中に存在するように、鉛直方向位置を実質的に一定にしておくと、水面に発生する波によって自由水面３１が変動するため、容器内水面３２と水域の自由水面３１の高さに間に差が生じる。その結果、オリフィス１１を通して水の流出入が発生する。渦輪は、円形の噴出口より流体が押し出される際のせん断の集中により生成されるので、容器１０から水が流出する際に、渦輪２０が発生することになる。この場合、容器１０から水を押し出すエネルギーは、波浪のエネルギーである。なお、渦輪の発生原理、具体例の詳細については後述する。
【００２５】
渦輪は、一度発生すると、自己誘起速度により進行する性質があり、水面付近で作られた渦輪は、渦の循環が維持される限り水底に向かって進行するため、水深が深い場合でも、底層まで渦輪を到達させることが可能である。
【００２６】
また、容器１０内の水に、マイクロバブルや底層の汚濁物質を分解、無機化を促進する化学物質、例えば特定の汚濁物質と反応する金属イオン等を含有させると、マイクロバブルや金属イオン水が渦輪に閉じ込められ、水域の底層に輸送される。
【００２７】
次に、オリフィスと水との相対運動による渦輪の発生について説明する。静止液体と気体の境界面（自由表面）に、中立面と平行なｘ方向に速度ｃで伝播する振幅ε、波長λの正弦波があるとすると、ある位置ｘのある時刻における、中立面から自由表面までの高さｚは、（１）式で表すことができる。
【００２８】
【数１】
2004089781.tif 000003
【００２９】
波長に比べて水深は十分大きいものと仮定すると伝播速度ｃは、（２）式で示すものとなる。（２）式において、ｇは重力加速度である。
【００３０】
【数２】
2004089781.tif 000004
【００３１】
振幅ａが十分小さい限り、伝播速度は振幅に依存しないので、以下、便宜のためにΛを（２ａ）式に示すものとする。
【００３２】
【数３】
2004089781.tif 000005
【００３３】
この自由表面に、図２に示すように、上端が開放、下端に孔径ｄ２のオリフィス１１を有する、内径ｄ１の円筒容器１０を空間に固定して設置する。図２は、オリフィスと水との相対運動を説明する図であり、図２（ａ）は、容器１０が上方に移動してオリフィス１１から水が噴出する場合の座標系の定義、図２（ｂ）は、容器が下方に移動してオリフィス１１に水が吸入される場合の座標系の定義を示す。内径ｄ１が波長λに比べて十分小さいとすれば、容器周辺での自由表面の変位Ｚ０（ｔ）は、（１）式にｘ＝０を代入することによって、（３）式に示すものとなる。
【００３４】
【数４】
2004089781.tif 000006
【００３５】
容器周辺での自由表面の変位Ｚ０（ｔ）が（３）式のように与えられた場合、容器内部での自由表面の変位Ｚ１（ｔ）は圧力差や粘性の影響で一般にＺ０（ｔ）と等しくならない。そこで、空間に固定した容器に対して外水面がＺ０（ｔ）で変位するときに、内水面の変位Ｚ１（ｔ）がどのようになるかを考える。説明の便宜上、外水面が空間に固定され（Ｚ０（ｔ）＝Ｃｏｎｓｔ．）、容器１０が（４）式のように変位していると考える。
【００３６】
【数５】
2004089781.tif 000007
【００３７】
ｔ＝０でのオリフィス１１の位置をｚ座標の原点とし、エネルギー関係式（非定常ベルヌイ）を噴出時・吸入時それぞれ適用する。噴出時において、図２（ａ）の位置▲１▼−▲２▼間で適用すると（５ａ）式が得られ、吸入時において図２（ｂ）の位置▲３▼−▲２▼間で適用すると（５ｂ）式が得られる。図２において、位置▲１▼は内水面の位置であり、位置▲２▼はオリフィス１１から噴出した流体の圧力が外部の圧力と同じになる点、すなわち噴出流体の幅が一定になる位置である。厳密に言えばこの位置はオリフィスエッジの位置よりも若干離れているが、ここではオリフィスエッジの位置であるとする。位置▲３▼　は内水面と同じように変動する仮想水面の位置である。また、内水面の位置はＺ１（ｔ）、オリフィスの位置はＺ２（ｔ）、外水面の位置（ｔ＝０での内水面の高さ）はＺ０≡Ｈ、仮想水面▲３▼の位置は、Ｚ３（ｔ）（＝２Ｚ２＋（−Ｚ１））であり、容器１０の内径はｄ１、オリフィス径はｄ２である。また、位置▲１▼、▲２▼、▲３▼の断面積はＡ１、Ａ２、Ａ３である。
【００３８】
【数６】
2004089781.tif 000008
【００３９】
ここで、ｖ１、ｖ２、ｖ３は、位置▲１▼、▲２▼、▲３▼における流速（絶対速度）であり、ｐ１、ｐ２、ｐ３は、位置▲１▼、▲２▼、▲３▼における圧力である。また、ｈｆは損失ヘッドであり、オリフィス部での摩擦損失を表すものとする。
【００４０】
なお、急縮部分では縮流が起こるので、オリフィス２０２から流出する水の断面積Ａ２’はオリフィス２０２の断面積Ａ２よりも小さくなり、ｃｃを収縮係数とすると、（６）式で表される。
【００４１】
【数７】
2004089781.tif 000009
【００４２】
噴出時においては、図２（ａ）において破線で示した検査体積ＣＶについて質量保存則をたてると、（７ａ）式のようになり、吸入時においては図２（ｂ）中の点線で示した検査体積ＣＶ’について質量保存則をたてると、（７ｂ）式のようになる。
【００４３】
【数８】
2004089781.tif 000010
【００４４】
なお、ＣＳ、ＣＳ’は、検査体積ＣＶ、ＣＶ’の表面である。また、ＶｒはＣＳ、ＣＳ’に対する相対的な速度であり、ｎはＣＳ、ＣＳ’にたてた外向き単位法線ベクトルである。
【００４５】
噴出時においてはｄＶｏｌ＝Ａ１ｄｚなので、
【００４６】
【数９】
2004089781.tif 000011
【００４７】
であり、位置▲２▼で、
【００４８】
【数１０】
2004089781.tif 000012
【００４９】
であり、それ以外のＣＳ上では、
【００５０】
【数１１】
2004089781.tif 000013
【００５１】
なので、
【００５２】
【数１２】
2004089781.tif 000014
【００５３】
よって（７ａ）式は、（８ａ）式で表せる。
【００５４】
【数１３】
2004089781.tif 000015
【００５５】
吸入時においてはｄＶｏｌ＝Ａ３ｄｚなので、
【００５６】
【数１４】
2004089781.tif 000016
【００５７】
であり、位置▲２▼で、
【００５８】
【数１５】
2004089781.tif 000017
【００５９】
であり、それ以外のＣＳ’上では、
【００６０】
【数１６】
2004089781.tif 000018
【００６１】
なので、
【００６２】
【数１７】
2004089781.tif 000019
【００６３】
よって（７ｂ）式は、（８ｂ）式で表せる。
【００６４】
【数１８】
2004089781.tif 000020
【００６５】
オリフィス部での摩擦損失ｈｆについては次のように考える。まず、オリフィスを固定した系で、オリフィスへの流入・流出を考える。図３は、オリフィス部での摩擦損失を説明する図であり、図３（ａ）は噴出時を示し、図３（ｂ）は吸入時を示す。図３に示すように、オリフィス近傍において流入速度をＶｉｎ、流出速度をＶｏｕｔとする。また、Ｖｔはオリフィスエッジ通過時の速度であり、噴出時は下向きが正、吸入時は上向きが正と定義する。また、Ｐｉｎ、Ｐｏｕｔはそれぞれ流入時、流出時の圧力である。このとき、流入速度Ｖｉｎは、噴出時が（９ａ）式で、吸入時が（９ｂ）式で表され、流量Ｑは、（１０）式で表される。ただし、Ａｉｎは流入時の流体の断面積で、容器断面積に等しい。また、Ａｔはオリフィス通過時の流体の断面積であり、オリフィスの断面積に等しい。また、Ａｏｕｔは流出時の流体の断面積である。そして、摩擦がないと仮定すれば、ベルヌイ式は、（１１）式で表せる。
【００６６】
【数１９】
2004089781.tif 000021
【００６７】
【数２０】
2004089781.tif 000022
【００６８】
【数２１】
2004089781.tif 000023
【００６９】
（１０）式、及び（１１）式より
【００７０】
【数２２】
2004089781.tif 000024
【００７１】
となり、流量Ｑは、
【００７２】
【数２３】
2004089781.tif 000025
【００７３】
となる。実際には摩擦損失があることを考慮し、また、ＡｏｕｔをＡｔ（＝Ａ２）におきかえると、流量Ｑは、（１２）式のように表せる。
【００７４】
【数２４】
2004089781.tif 000026
【００７５】
ここで、ここでＣｄは流量係数で、
【００７６】
【数２５】
2004089781.tif 000027
【００７７】
であるが、（１３）式となることが経験的に求められている。（ＪＩＳ　Ｚ　８７６２−１９９５）
【００７８】
【数２６】
2004089781.tif 000028
【００７９】
また、αを、
【００８０】
【数２７】
2004089781.tif 000029
【００８１】
とすれば、（１２）式は、（９ａ）式、（９ｂ）式、（１０）式を用いて、（１４）式のように書ける。
【００８２】
【数２８】
2004089781.tif 000030
【００８３】
また、オリフィスによる損失ヘッドｈｆは近似的に（１５）式によって計算される。（ＪＩＳ　Ｚ　　８７６２−１９９５）
【００８４】
【数２９】
2004089781.tif 000031
【００８５】
よって、（１４）式、（１５）式より、損失ヘッドｈｆは、噴出時、吸入時共に（１６）式によって表される。
【００８６】
【数３０】
2004089781.tif 000032
【００８７】
（５ａ）式、（５ｂ）式を変形すると、
【００８８】
【数３１】
2004089781.tif 000033
【００８９】
となるので、両式を合わせて、（１７）式が得られる。
【００９０】
【数３２】
2004089781.tif 000034
【００９１】
（１７）式を初期水面高さＨ、重力加速度ｇで無次元化すると、
【００９２】
【数３３】
2004089781.tif 000035
【００９３】
ここで、
【００９４】
【数３４】
2004089781.tif 000036
【００９５】
である。また、αはｔ＊の関数であることに注意すべきである。（１３）式において、Ｒｅｄは、
【００９６】
【数３５】
2004089781.tif 000037
【００９７】
と定義されているが、これをＨ、ｇを用いて無次元化すると、
【００９８】
【数３６】
2004089781.tif 000038
【００９９】
ただし、
【０１００】
【数３７】
2004089781.tif 000039
【０１０１】
さらに、（４）式を
【０１０２】
【数３８】
2004089781.tif 000040
【０１０３】
を用いて無次元化すれば、
【０１０４】
【数３９】
2004089781.tif 000041
【０１０５】
（１７ａ）式を、ルンゲ−クッタ法を用いた数値シミュレーションによって解いた。（１８）式のように各時刻におけるオリフィスの位置Ｚ２＊（ｔ＊）を与え、内水面の高さＺ１＊（ｔ＊）をプロットした。また、初期条件は、Ｚ１＊（ｔ＊）＝１、ｄＺ１＊（ｔ＊）／ｄｔ＊＝０として計算した。パラメータはβ、ε＊、Λ＊、ｃｃ、ＲｅＨである。このうち、収縮係数ｃｃについては、以下のように実験値との比較から決定した。
【０１０６】
図４に、β＝２．６、ε＊＝０．１、Λ＊＝１０、ＲｅＨ＝５．４×１０４とし、ｃｃを１〜０．４まで変化させたときのオリフィス変位Ｚ２＊（ｔ＊）に対する内面変位Ｚ１＊（ｔ＊）の計算結果と、実験結果を示す。図４で、実験値と最も一致していることから、収縮係数ｃｃはｃｃ＝０．５とする。これにより、Ｚ１＊（ｔ＊）及びｄＺ１＊（ｔ＊）／ｄｔ＊が求まり、（８ａ）式からオリフィス位置での流速ｖ２が求められる。
【０１０７】
オリフィスから流出する流体の速度と外部の流体との速度差Ｕ（≡ｖ２−ｄＺ０／ｄｔ）よって生じる渦輪のｄｔ時間あたりの循環ｄΓは、次式で近似できる（Ｓｈａｒｉｆｆ，　Ｋ　ａｎｄ　Ｌｅｏｎａｒｄ，　Ａ　　１９９２　　Ｖｏｒｔｅｘ　Ｒｉｎｇｓ．　Ａｎｎ．　Ｒｅｖ．　Ｆｌｕｉｄ　Ｍｅｃｈ．　２４，
２３５−２７９）。
【０１０８】
【数４０】
2004089781.tif 000042
【０１０９】
したがって、（８ａ）式を（１９）式に代入し、積分を行うことで、発生する渦輪の循環Γを求めることができる。積分は台形公式を用いて数値的に行うことができる。
【０１１０】
次に、自然界における水面波動による渦輪の発生について説明する。図５は、自然界における波を周期によって分類したものである。図５から、海で見る大部分の波は周期が１〜３０秒の重力波であることがわかる。また、図６は、わが国の沿岸における波浪の月平均の波高と周期の関係を示す図である。図６から、沿岸における波浪が、周期３〜９秒、波高０．５〜１．５ｍ（波高は振幅の２倍）であることがわかる。
【０１１１】
したがって、渦輪の発生に利用する波として、周期が６秒（波長λ＝６０ｍ）、振幅ε＝０．３ｍの波を想定することができる。設置する容器の内径ｄ１＝１ｍ、オリフィス径ｄ２＝０．５ｍとし、この容器を水面から１ｍ沈めたとすれば、各パラメータはβ＝２、ε＊＝０．３、Λ＊＝１８、ＲｅＨ＝３．１×１０６となる。オリフィスエッジの変位Ｚ２（ｔ）と内水面の変位Ｚ１（ｔ）の時間経過を計算した結果を図７に示し、この結果から、（８）式よりオリフィスから噴出する流体の相対速度ｖｒの時間変化とせん断速度Ｕの時間変化、（１９）式でのｄΓ／ｄｔの値の時間変化を求めた結果を図８に示す。
【０１１２】
図８で、渦輪が生成される時間は、オリフィスから噴出する流体の相対速度ｖｒとせん断速度Ｕが共に負の値になっている時間であり、例えばｔ１からｔ２の時間が、渦輪が生成される時間である。また、ピストン運動により供給される循環は無制限に蓄積されるのではなく、Ｌ／ｄ２の値が限界値４を超えると、それ以上渦輪の循環は増加しなくなることがＧｈａｒｉｂらの実験により示されている（Ｇｈａｒｉｂ，　Ｍ　，　Ｒａｍｂｏｄ，　Ｅ　ａｎｄ　Ｓｈａｒｉｆｆ，　Ｋ　　１９９８　　Ａ　ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　ｔｉｍｅ　ｓｃａｌｅ　ｆｏｒ　ｖｏｒｔｅｘ　ｒｉｎｇ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ．　　Ｊ．　Ｆｌｕｉｄ　Ｍｅｃｈ．　３６０，　１２１−１４０）。ここで、Ｌはオリフィスから放出される流体の長さであり、図８においては、ｔ１からｔ２の間のせん断速度Ｕの積分値を表している。この積分値が４以内であるならば、１周期で得られる循環は、図８のｔ１からｔ２の間のｄΓ／ｄｔの積分値として求まる。
【０１１３】
図９に、ｔ１からｔ２におけるＬ／ｄ２の時間変化と、得られる循環Γの時間変化を示す。図９によれば、ｔ＝０．９２秒でＬ／ｄ２が４に達するので、この時刻での循環値１．２ｍ２／ｓが得られる循環の最大値である。すなわち、自然界の波によって発生できる渦輪の循環の最大値は、１．２ｍ２／ｓである。
【０１１４】
次いで、密度変化層における渦輪の挙動について説明し、底層の汚濁物質を撹拌する際の挙動について述べる。発生した渦輪がヘドロ層又はヘドロ層を作る原因になっている浮遊汚濁物質層は、「密度が異なる層」として捉えることができるので、図１０のように密度がステップ状に変化する場での渦輪の挙動について調査した。
【０１１５】
実験は、高密度流体としてグリセリン水溶液、低密度流体として水を入れた水槽の水面付近で、渦輪を発生させ、発生させた渦輪が高密度流体層に到達した際の挙動をカメラで撮影することにより行った。その際、高密度流体の密度ρ２と渦輪の初期循環Γ０を変化させ、次式で定義されるパラメータＡ及びＲによって整理した。
【０１１６】
【数４１】
2004089781.tif 000043
【０１１７】
ここでρ１は低密度流体の密度、ｇは重力加速度、ｄ２はオリフィス直径である。
【０１１８】
図１１及び図１２に、Ａ＝０．０２、Ｒ＝９．７４の場合の密度界面での渦輪の挙動を示す。ここで、ｔ＊は初期密度境界面への渦輪の衝突時刻をｔ＝０とした無次元時間であり、ｔ＊＝ｄ２２／Γ０である。
【０１１９】
ｔ＊＝３．２２（図１１（ａ））で渦輪に伴われる低密度流体の侵入の結果と思われる密度変化４３が高密度流体層４２中に認められ、ｔ＊＝４．９８（図１１（ｂ））になると、この密度変化（低密度流体塊）４３の下端が下方へ侵入し、上端が密度界面４０上にある。また、このとき低密度流体層４１中に高密度流体の巻き上がりと見られる密度変化４４が認められる。ｔ＊＝６．６４（図１１（ｃ））では、低密度流体塊４３下端部の下方への進行が止まり、一方、高密度流体の低密度流体層４１への巻き上がり（密度変化）４４が上方へ移動している。そして、ｔ＊＝８．３０（図１２（ａ））になると、低密度流体塊４３下端部も上方へ移動し始め、ｔ＊＝９．９６（図１２（ｂ））では低密度流体塊４３の界面が乱雑化し、ｔ＊＝１１．６２（図１２（ｃ））では低密度流体塊４３は消滅している。
【０１２０】
上記パラメータＡ及びＲを変化させて渦輪の侵入の有無を確認した実験結果を図１３に示す。図１３においては、図１１（ａ）に示すように低密度流体塊が高密度流体内部に確認できる場合を「侵入あり」とし、確認できない場合を「侵入なし」として整理してある。
【０１２１】
渦輪の初期循環Γ０を自然界の波によって発生できる渦輪の循環の概算値Γ０＝１．２ｍ２／ｓ、オリフィス径ｄ２を０．５ｍとした場合（Ｒ＝０．８５となる。）、渦輪が侵入可能な範囲はＡ＜０．０７と見積もることができ、汚濁物質層の比重が１．１５以下ならば、渦輪が侵入することが可能である。したがって、自然界の波によって発生させた渦輪は、浮遊汚濁物質層を撹拌させるのに充分である。
【０１２２】
続いて、渦輪が到達可能な水深について説明する。渦輪は理想的には、（２０）式で示される速度で、渦輪の中心軸方向に無限に進行する（Ｌａｍｂ，　Ｓｉｒ　Ｈ　　１９４５　　Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ．　Ｄｏｖｅｒ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ）。
【０１２３】
【数４２】
2004089781.tif 000044
【０１２４】
ここで、Γは渦輪の循環、Ｒは渦輪の半径、ｒは渦核の半径である。渦輪の進行を妨げる要因には、（１）粘性による循環の減衰、（２）周囲流体中に存在する不特定な撹乱による渦輪の破壊、（３）浮力による減速効果の３つが考えられる。（１）については、レイノルズ数Ｒｅ（＝Γ／ν）が十分大きければ、無視できる。弱い渦輪では必ずしも無視できないが、先に述べた自然界で期待できる循環の強さがあれば問題ない。（２）については、流れ場によって条件はまちまちなため一般的に論じることはできないが、渦輪を破壊するような擾乱が定常的に発生するわけではないので問題ない。（３）については、渦輪がマイクロバブルを含有する場合、渦輪にかかる浮力が渦輪の進行を妨げる向きに作用するが、含有させるマイクロバブルの量によってコントロール可能である。
【０１２５】
以上説明したように、自然界の水面波動によって発生させた渦輪は、充分な深さまで到達することができ、かつ、底層の浮遊汚濁物質層を撹拌することができる。
【０１２６】
次に、渦輪によって水域の浄化を行う浄化装置の具体例について説明する。図１４、図１５、図１６に示す浄化装置は、上端が開放され、かつ下端にオリフィスを有する容器を、その下端が水域の水中に存在するように配置し、オリフィスと水域の水との相対運動により、渦輪を発生させるものである。
【０１２７】
図１４に示す浄化装置１００は、上端が開放され、かつ下端にオリフィス１０２を有する容器１０１を、固定部材１０３を用いて、複数個いかだ状に一体化固定したものである。容器１０１、固定部材１０３の構成材料は、所定の強度、浄化対象水域に浮かべることができるものであれば、任意のものが採用できる。この浄化装置１００は、上端が空中に、かつ下端が水中に存在するように、浄化対象水域に配置される。
【０１２８】
一体化する容器１０１の個数は、浄化装置１００を水面に浮かべたときに、波の影響があっても、実質的にその鉛直方向位置を一定に保つことができる個数とする。そのためには、ほぼ正方形に形状を有する浄化装置の一辺の長さＬａを波の波長λに対して十分大きな値とすればよい。
【０１２９】
容器１０１の高さは、想定される平均的な波の振幅の２倍以上とするのが好ましい。また、浄化装置１００の浮力は、水面の中立面が容器１０１のほぼ中心位置になるように調整する。
【０１３０】
浄化装置１００を浄化対象水域の水面に浮かべると、浄化装置１００の鉛直方向位置は、ほぼ一定になるので、水域の波の高さ（自由水面）と容器１０１内水面の高さに差が生じ、その結果、オリフィス１０２を通して水の流出入が発生する。すなわち、オリフィス１０２と水域の水とが相対運動することになり、オリフィス１０２から水底方向に渦輪が発生することになる。したがって、特別な動力を必要とせずに渦輪を浄化対象水域の底層に移動させ、水域の浄化を行うことができる。
【０１３１】
図１５に示す浄化装置２００は、上端が開放され、かつ下端にオリフィス２０２を有する容器２０１と、容器２０１に対して浮力を付加する浮きブイ２０３と、水底２０６に固定されたアンカー２０４と、容器２０１とアンカー２０４を接続するワイヤ２０５を含んで構成される。ワイヤ２０５は、容器２０１と水底２０６との距離を一定値以下に制限するもので、浮きブイ２０３によって付加される浮力を十分大きくすると、容器２０１の鉛直方向位置を、一定に保つことができる。
【０１３２】
この状態で、自由水面２０７が自然界の波によって上下動すると、自由水面２０７と容器２０１内水面の高さに差が生じ、その結果、オリフィス２０２を通して水の流出入が発生する。すなわち、オリフィス２０２と水域の水とが相対運動することになり、オリフィス２０２から水底方向に渦輪２０８が発生する。したがって、特別な動力を必要とせずに渦輪を浄化対象水域の底層に移動させ、水域の浄化を行うことができる。
【０１３３】
図１６に示す浄化装置３００は、上端が開放され、かつ下端にオリフィス３０２を有する容器３０１と、容器３０１に付加された錘３０３と、浮きブイ３０４と、容器３０１と浮きブイ３０４を接続するワイヤ３０５を含んで構成される。ワイヤ３０５は、容器３０１と自由水面３０７との距離Ｌｚを一定値以下に制限するもので、錘３０３の重さ、及び浮きブイ３０３によって付加される浮力を選択することにより、距離Ｌｚを実質的に一定値に保持することができる。距離Ｌｚは、容器３０１が自由水面３０７の変動の影響を実質的に受けない静止水域３０６に位置するような距離とする。
【０１３４】
この状態で、自由水面３０７が自然界の波によって上下動すると、浮き３０４と容器３０１との距離Ｌｚが実質的に一定値に保持されるので、容器３０１も上下動し、オリフィス３０２と水域の水とが相対運動することになり、オリフィス３０２から水底方向に渦輪３０８が発生する。したがって、特別な動力を必要とせずに渦輪を浄化対象水域の底層に移動させ、水域の浄化を行うことができる。
【０１３５】
浄化装置１００、２００、３００の容器１０１、２０１、３０１内の水に、マイクロバブルを含有させると、発生した渦輪にマイクロバブルが閉じ込められ、水域の底層に輸送されるので、汚濁物質の酸化が促進され、水域の浄化がさらに促進される。また、容器１０１、２０１、３０１内の水に、底層の汚濁物質の分解、無機化を促進させる物質を含有させてもよい。
【０１３６】
以上、自然界の波の力によって渦輪を発生させる場合について説明したが、自然界の波の強さ、発生頻度等は、浄化対象となる水域によって異なるので、あらゆる水域において、自然界の波によって、浄化に必要な渦輪を発生できるわけではない。波の大きさが十分確保できない場合は、図１４に示されるような浄化装置に、外部動力によって容器を個別に上下動させる手段を取り付け、渦輪を発生させるようにしてもよい。
【０１３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、水域の種類、深さ、状態にかかわらずにおいて利用可能であり、エネルギー効率が高い水域の浄化方法及び浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の浄化方法の実施の形態の一例の概略構成を示す図
【図２】オリフィスと水との相対運動を説明する図
【図３】オリフィス部での摩擦損失を説明する図
【図４】オリフィス変位に対する内水面変位の計算結果と、実験結果を示す図
【図５】海の表面波のスペクトルを示す図
【図６】月平均波高と周期の関係を示す図
【図７】オリフィスの変位と内水面の変位を示す図
【図８】オリフィスから噴出する流体の相対速度ｖｒ、せん断速度Ｕ、及びｄΓ／ｄｔの値の時間変化を示す図
【図９】Ｌ／ｄ２の時間変化と得られる循環Γの時間変化を示す図
【図１０】底層の汚濁物質層の状態を示す図
【図１１】密度界面での渦輪の挙動の一例を示す図
【図１２】密度界面での渦輪の挙動の一例を示す図
【図１３】渦輪の侵入の有無を確認した実験結果を示す図
【図１４】本発明の浄化装置の一例の概略構成を示す図
【図１５】本発明の浄化装置の他の例の概略構成を示す図
【図１６】本発明の浄化装置のさらに他の例の概略構成を示す図
【符号の説明】
１０・・・容器
１１・・・オリフィス
２０・・・渦輪
３０・・・水域
３２・・・浮遊汚濁物質層
３３・・・堆積汚濁物質層
１００、２００、３００・・・浄化装置
１０１、２０１、３０１・・・容器
１０２、２０２、３０２・・・オリフィス
１０３・・・固定部材
２０３、３０４・・・浮きブイ
２０４・・・アンカー
２０５、３０５・・・ワイヤ
２０６・・・水底
２０７、３０７・・・自由水面
２０８、３０８・・・渦輪
３０３・・・錘
３０６・・・静止水域
【図１】
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【図２】
2004089781.tif 000046
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004089781.tif 000049
【図６】
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【図７】
2004089781.tif 000051
【図８】
2004089781.tif 000052
【図９】
2004089781.tif 000053
【図１０】
2004089781.tif 000054
【図１１】
2004089781.tif 000055
【図１２】
2004089781.tif 000056
【図１３】
2004089781.tif 000057
【図１４】
2004089781.tif 000058
【図１５】
2004089781.tif 000059
【図１６】
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