（様式３）新潟大学災害・復興科学研究所
共同研究報告書

回転ドラム装置を用いた雪の摩擦特性把握に関する研究研究代表者氏名

小田 憲一 1）
河島 克久 2）

研究分担者氏名
1）日本大学理工学部 2）新潟大学災害・復興科学研究所
研究要旨
本研究では，回転ドラム内で流動させた雪試料を観測することで，雪の摩擦特性を把握する方法について検討を行った．摩擦特性の把握には，流動物体の流速データが必要であるが，本研究ではドラム内で流動する物体の形状に着目し，流動物体の流速データを抽出した．観測に使用した回転ドラムは，内径 118mm，長さ 130mm のアクリル製パイプ管で構成されている．また，本実験に用いる実験試料は 2017 年 2 月に採取された自然降雪を-20℃に設定した低温室内で保存した物とした．実験で得られた流速データをもとに，雪崩の流動を Bingham 流体と仮定し，運動物体のせん断応力を Mohr-Coulomb の破壊規準を用いて定義した流体解析モデルを用いて，画像解析で得られた流速分布の時系列データから摩擦係数の算出を試みた．その結果，一般的な内部摩擦角よりも過大に評価された値が算出されるものの，傾向として摩擦係数は流速に影響することを確認した．

Ａ．研究目的転させた．図-1 に本研究で用いた回転ドラム装置を土砂や雪崩の運動を予測する手法の多くは，三軸示す．回転ドラム内の試料は，ドラムの回転に伴い，圧縮試験や一面せん断試験などの力学試験から求め外周に沿って上る流れと，粒子が流れ方向を変えてた材料の摩擦特性を一定値として設定している．しかし実際に斜面上を流動している物体の摩擦特性は，流動している物体の速度や密度の変化に影響を受け，必ずしも一定であるとは限らない．一方で，流動し下る流れの二つの運動となり，上りの流れと下りの流れの境界面が円弧を描くことが過去の研究から分かっている 1)．本研究ではこの境界面を境に上部でている物体の摩擦特性を把握するためには，人工的流動する円弧形状に着目し，摩擦係数の算出を試みに流動した状態を再現することが可能な実験を行う

た．本実験に用いる雪は 2017 年 2 月に降雪した雪必要がある．このような実験を可能とする装置としを-20℃に設定した低温室内で保存した物とした．まて，回転するドラム（以下，回転ドラム）を用いた

た，あらかじめ機材類は実験開始前日から低温室で実験が挙げられる

1)．回転ドラムを用いた実験は，主に粉体工学や機械工学などの分野で用いられており，材料の混合や分離について報告している研究がある 2)．そこで本研究では，回転ドラム内で流動させた雪試料を観測することで，雪の摩擦特性を把握する方法について検討を行った．

冷却させてから実験に使用した．実験に使用する雪試料の調整は，保管していた雪を氷になっている部分を除いてブロック状に切り出し，6mm 径の網目を通した粉砕機にかけて行った．その後，粉砕した雪は 500μmm 未満，500μmm，1mm，2mm，4mm になるようふるい分けを行った．本研究で使用した材料

Ｂ．研究方法は，1mm 以上 2mm 未満，2mm 以上 4mm 未満，4mm1) 回転ドラム実験

以上の 3 試料とし，回転ドラムの回転速度は，10rpm，

本研究では，内径 118mm，長さ 130mm のアクリ15rpm，20rpm の 3 ケースで設定した．実験はそれぞ

ル製パイプ管(回転ドラム)内に実験試料を入れて回れ 3 回行った．回転ドラム内の流動観測には，高速度 カ メ ラ (K-Ⅲ) を 用 い た ． 撮 影 解 像 度 はとで，流体の運動を表現することが可能となる．本

1280×1024(pixel)撮影フレームレート 1000(fps)で設研究では，あらかじめ実験によって物体の流速デー定し，1.6 秒間(計 1636 フレーム)の観測を行った．

タが得られるため，未知数は圧力 p と等価粘性係数'のみであるが，圧力 p は流速データが得られていることから陽的に求めることができ，等価粘性係数は式(1)から圧力 p を代入することで求めることができる．一方で，物体の摩擦特性となる内部摩擦角は式(2)から求めることができる．以上のことから，本研究では流速データをあらかじめ実験で求めておくことによって，運動中の物体内部で生じている内部摩擦角を逆解析で導く方法を提案する．なお，本研
究で使用した材料は，低温室内で調整を施した雪試料であることから乾燥した状態にあると考えられ，

図-1 回転ドラム

今回は粘着力 c を 0 として評価する．

2) 流速分布の抽出

Ｃ．研究結果本 研究 では， 粒子 イメージ 流速 計測法 (ParticleImage Velocimetry，以下 PIV)を用いて，観測で得られた画像から粒子の動きを把握し，円弧形状部分の抽出を行った．PIV による画像解析では，前処理として元画像の 3×3pixel で平滑化し，輝度補正とコン実験で得られた流速分布データから内部摩擦角を時刻歴ごとに算出し，得られた内部摩擦角を平均値としてまとめた．図-2 に供試体の見かけの密度と内部摩擦角の関係を示す．図より，一般的に報告されトラストの調整を行った．また，粒子の検査領域をている雪の内部摩擦角に比べて 40 度近く大きな値

32×32 pixel，探査領域を 52×52 pixel とし，計算格子が算出されているが，密度の増加に伴い，内部摩擦幅は各実験で使用した最大粒径に合わせて設定した．

角も増加する傾向が見られる．
図-3 に流速データから得られた平均流速と内部摩

3) 摩擦係数の算出方法

擦角の関係を示す．この結果から，1mm 粒径は流速

本研究では，土砂や雪崩の流動を Bingham 流体との増加に伴い内部摩擦角も増加している傾向が顕著仮定し，運動物体のせん断応力を Mohr-Coulomb のであるが，その他は減少してる傾向が見られる．し破壊規準を用いて定義した流体解析モデル 3)を用いかしながら，全体的に見ると，流速の増加に伴い内て，画像解析で得られた流速分布の時系列データか部摩擦角が増加している傾向にある．

ら摩擦係数の算出を試みた．流体解析モデルで使用62.0

している運動量保存則は以下の式で表される．
=−

1+21+61.5(1)

ここで，ui は速度ベクトル，p は圧力ベクトル， は密度， ' は等価粘性係数，Vij はひずみ速度テンソルを表している．等価粘性係数 ' は Mohr-Coulomb の61.0
摩擦係数[deg]

+60.5
60.0
59.5

破壊規準を考慮した以下の式で定義される．
=

̇

=+tan
̇

+59.0

(2)

ここで，c は粘着力， は内部摩擦角， 0 は疑似的な初期粘性係数を表している．通常，流体解析を行う
際は，式(1)を離散化し，未知数となる係数を解くこ

1mm
2mm
4mm

58.5
58.0
300

320

340
密度[kg/m3]

360

380

Ｆ．研究発表
1.論文発表
該当なし

図-2 密度と内部摩擦角の関係

摩擦係数[deg]

62.061.5

2.学会発表61.0

・ 回転ドラム装置を用いた雪の摩擦特性把
握に関する研究・平成 30 年度全国大会第60.5

73 回年次学術講演会・2018 年 8 月 29 日(予60.0定)・北海道大学札幌キャンパス
・ Study on Friction Characteristics of59.5

Snow59.01mm2mm4mm

58.5
58.00.000.05

0.100.15

0.200.25

平均流速[m/s]

Usingていることから，内部摩擦角の値は粒径の大きさに依存することが考えられる．また，図-3 で示した結果から，本研究で評価した内部摩擦角は流速の変化に伴い，値が変化すると考えられる．

Ｅ．結論
本研究では雪を材料とした回転ドラムの観測実験を行い，雪の摩擦特性を算出する方法について検討した．その結果，一般的な内部摩擦角よりも過大に評価された値が算出されるものの，傾向として摩擦係数は流速に影響することを確認した．今度は，流速の影響をより詳細に分析する．

参考文献1)Shiva P. Pudasaini and Kolumba Hutter:
Avalanche Dynamics Dynamics of rapid flowsof dense granular avalanches, springer, 2007.
2)K. M. Hill, A. Caprihan and J. Kakalios:
Bulk Seregation in Rotated Granular Material
MeasuredbyMagnetic

Resonance

Imaging,

Physical Review Letters, Volume 78, Number 1,
pp.50-53, 1997.
3)K. Oda,et.al: Simulation of snow avalanche
model test using computational fluid dynamics,
Annals of Glaciology, pp57-64, 2011.

・Ｇ．知的財産権の出願・登録状況（予定を含む）
該当なし
該当なし

図-2 で表している密度は，粒径の大きさに影響しDevice2018 年 10 月 7 日（予定）・Innsbruck

2.実用新案登録
Ｄ．考察

DrumInternational Snow Science Woekshop・

1.特許取得図-3 平均流速と内部摩擦角の関係

Rotary3.その他
該当なし