第2章

排ガス拡散予測手法の
開発

第２章

排ガス拡散予測手法の開発 ● 目次

狛江研究所大気科学部

上席研究員

市川

陽一

狛江研究所大気科学部

上席研究員

佐田

幸一

狛江研究所大気科学部

主任研究員

柿島

伸次

２−１

火力発電所

…………………………………………………………………………………………………………………19

２−２

原子力発電所………………………………………………………………………………………………………………30

２−３

地熱発電所

…………………………………………………………………………………………………………………33

２−４

まとめ

………………………………………………………………………………………………………………………34

市川 陽一（８ページに掲載）

佐田 幸一（1983年入所）
これまで発電所および発電設備から放出される排ガスの大気拡散現象を対象に、数値計
算手法の開発、および風洞実験手法の高度化に関する研究に従事してきた。現在は、濃度変動の瞬間予測等、今後の実用化が考えられる分野での研究にも取り組んでいる。

柿島 伸次（1958年入所）
大気環境影響評価手法のうち、特に、発電用原子炉施設からの放射性物質の拡散と線量評価手法の合理化に関する研究に従事してき
た。

コラム１

水を用いて空気の流れを再現………………………………………………………………………………35

西原崇（1994年入所）
我孫子研究所水理部主任研究員。
主に流体関連振動に関する研究に従事している。これまで、高速増殖炉（FBR）を対象とした自然循環流の不安定性に関する実験や安定性解析を行うとともに、架空送電線からプラント機器一般にいたる様々な構造物に作用する流体力の解明のため、大型水路を利用した実験に取り組んでいる。

18

２−１

火力発電所

力発電所（地熱を除く）は出力 15 万 kW 以上が第一種事

2-1-1

拡散予測の方法

業、11 万 2500kW 以上 15 万 kW 未満が第二種事業である。第二種事業に該当する場合は、簡易な方法により1997 年６月に環境影響評価法が制定され、1999 年６環境影響評価を行うことになっている。第一種事業に月から新しい環境影響評価制度が適用された。環境影

ついては、主務省令で定めるところにより、対象事業

響評価法では、規模が大きく、環境影響の程度が著しに係る環境影響評価の項目ならびに調査、予測および

くなるおそれがある事業の一つとして、発電用施設の評価の手法を選定しなければならない。

設置または変更工事を定めている。各事業はその規模

一般に、排ガス拡散の予測方法は表 2-1 のようにまとに応じて、第一種事業、第二種事業に分けられる。火めることができる。各方法はそれぞれに特徴があり、

表2-1
方

法

排ガス拡散予測の方法
内

容

特

徴

野外での気象観測と現地で、トレーサガスを放出して周・実現象そのものを把握できる。

トレーサ実験

辺の濃度分布を測定する。あわせて、

・実験条件の設定が困難で、人手と地上や上空の気象観測を行う。

費用がかかる。
・環境影響評価そのものより、拡散パラメータの推定や予測モデルの検証用に実施される。

室内実験

風洞実験

大きなダクト内に地形や建物の模型

・地形や建物影響に関しては、大気を入れ、制御した風を送って、気流との相似則を満足しやすく、環境やトレーサガスの拡散状態を調べる。

影響評価で実績がある。
・地形と熱が複合した条件では、高度な実験技術が必要である。
・大型の実験設備が必要で、模型製作等に費用がかかる。

水槽実験

水中で色素をトレーサとして拡散状態を調べる。

・大気との相似則や測定技術に問題がある。
・可視化により煙突形状や排出条件を検討するのに用いられるが、環境影響評価では補助的役割であ
る。

計

算

拡 散 式

排煙上昇や拡散の公式に従って濃度分布を計算する。

・正規分布型の拡散公式は年間など
長期におよぶ濃度予測が容易で、
環境影響評価に広く使用されている。
・地形や建物影響などへの適用に限
界がある。

数値モデル

運動方程式や拡散方程式を数値的に・乱流モデルを用いれば、地形影響

解いて、気流や濃度分布を求める。

に関して、風洞実験と同等の予測ができるようになった。
・計算機は普及しており、容易に実施できる。
・複雑形状の構造物の組み込みは課題である。

電中研レビュー No.38 ● 19

合理的に環境影響評価を行うには適、不適がある。通2-1-2

商産業省の発電所アセス省令では、施設の稼働にとも風洞実験

なう排ガス拡散予測の基本的な手法として、大気拡散⒜

式にもとづく理論計算をあげている。 発電所アセス省

種々の風洞実験手法

令に示される調査、予測、評価の指針に関する具体的

風洞実験には表 2-2 に示すように固定法、重合法、加な内容は、「発電所に係る環境影響評価の手引」1）（以下、振法がある。固定法は、地形模型を固定し、定常の風「手引」と言う）に示されている。この「手引」では、のもとでトレーサ実験を行うもので、歪みのない矩形

年平均値、日平均値の予測に対して、原則、環境庁の模型を用いる方法と歪模型を用いる方法がある。矩形「窒素酸化物総量規制マニュアル［増補改訂版］」

２）

模型を用いる方法は、風洞実験の中で最も一般的で、に示される煙上昇高さ計算式および拡散式を選定するこ広く使われている。歪模型を用いる実験は、電力中央とになっている。また、地形影響については、拡散式研究所が 1960 年代なかばから 80 年代なかばにかけて実による計算が予測結果に大きな影響をおよぼすおそれ施した。ふつうの風洞では、実際の大気で見られる風がある場合には、検討する必要があるとしている。予の横方向の変動と、それにともなう大きな煙の拡がり測手法として、風洞実験と数値モデルを適宜選択してをつくることは難しい。歪模型を用いる方法では、横利用することを定めている。

方向に模型を縮めることで、相対的に横方向の煙の拡がり方を大きくする。こうして、煙軸上地表濃度の１
時間値の予測を行う。

表2-2
風 洞 実 験 手 法
固 定 法

矩形模型法

風洞実験手法の一覧
装

置

手

法

の

概

要

特別な装置は風洞気流に乱れを与えるため、測不用

定部風上に乱流発生装置を置く。
縦横同一縮尺の地形模型を用いてトレーサ実験を行う。
発電所の環境影響評価で用いられてきた方法。

歪模型法

同上

風洞気流に乱れを与えるため、測定部風上に乱流発生装置を置く。
横方向の縮尺が縦方向より小さな地形模型を用いてトレーサ実験を
行う。

数値重合法

重 合 法

同

上

風向を変化させて固定法のトレー
サ実験を行い、各風向の出現頻度で重み付けて濃度分布を算定する。

実験重合法

ターンテーブル

地形模型をターンテーブルに載せ、風向頻度を再現するように模型を回転させてトレーサ実験を行う。
火力発電所に対して実績あり。

加

振

法

加振装置

測定部風上の加振装置により、強（不規則振動板

制的に横方向に大きな風の変動をや加振翼列）

与えてトレーサ実験を行う。
火力発電所への適用例あり。

20

重合法、加振法は、風の横方向の変動を考慮し、短木の模型は作らないで、地表面の粗度として与える。

期平均濃度（例えば、１時間値）を模擬するために、開幾何学的な相似を満足させることは困難なことではな

発が進められてきた風洞実験手法である。重合法にはいが、火力発電所のような高所大規模煙源では、長く

数値重合法とターンテーブル法がある。数値重合法は、て幅の広い風洞試験部が必要になる。図 2-1 は電力中央

微小角度ずつ風向を変化させた固定法の風洞実験結果

研究所の大気拡散実験用風洞（試験部高さ 1.5 ｍ、幅３を、風向頻度で重み付けして足し合わせ、濃度を予測

ｍ、長さ 17 ｍ）である。

する方法である。ターンテーブル法は、風向頻度を再・排出条件に関する相似

現するように地形模型を回転させる方法である。三菱

煙突から排出された煙は、主に熱浮力により上昇す

３）

重工業の大型拡散風洞の模型回転部は直径 12m ある 。

るとともに、大気の乱れにより拡散する。煙突が高い

重合法は、固定法と同じ気流状態のままで、拡散状態

火力発電所の場合、排煙上昇過程中に煙が地表に到達を大気と相似させようという手法である。これに対し、することはない。そのため、風洞実験で上昇過程その加振法は気流状態の相似を満足させた上で、大気拡散

ものの模擬は行わない。その代わり、経験的な予測式の状態を模擬しようという試みである。電力中央研究を用いて排煙上昇高さを計算し、これを実際の煙突高所４）や三菱重工業５）の加振法では、風洞試験区間入り

さに加えた有効煙突高からトレーサガスを気流と等速口に設置した板列を振動させて、横方向の大きな乱れ

で水平に放出する。

を作った。石川島播磨重工業は、高さ 600mm の翼を 18・気流に関する相似
風洞内の平板上に実規模換算で数 100 ｍ程度の速度境個加振させている。

界層をつくる。また、境界層内の速度分布が大気で観⒝

大気との相似性

測されている分布と相似になるように気流調整を行う。

風洞実験を行う場合、大気との相似性を満たす必要

風洞内の風速は、平地および地形上で乱れが十分発達がある。大気拡散の風洞実験を行う場合の相似則を以した流れになるように、２〜３ｍ/s 以上にすることが下に示す。

一般的である。大気の乱れは、経験的に得られた平地

・模型の幾何学的相似

上の排ガス拡散結果（拡散式）を再現するように与える。

対象地域の地形は、一般に流れ、水平、鉛直方向に

つまり、平地で拡散実験を行い、測定された地表濃度同じ割合で縮小した模型で再現する。模型縮尺は分布などが実大気での分布と一致するなら、大気と風

1/5000 〜 1/1000 程度である。なお、小さな構造物や樹洞で気流の乱れの相似が成立すると判断する。

図2-1

電力中央研究所の大気拡散実験用風洞

電中研レビュー No.38 ● 21

⒞地形影響評価煙軸上着地濃度比γ（x）＝地形を入れた場合の煙軸

環境影響評価法施行までは、資源エネルギー庁の上着地濃度/平板での最大着地濃度「発電所の立地に関する環境影響調査要綱別表１」 ６）

図 2-2 は風洞実験による地形影響評価例である。まず、に従って、大気汚染に関連して地形影響がないと認

平地の風洞実験結果と拡散公式がよく一致しているのめられる場合を除いて、しかし実態は必ずと言ってがわかる。地形を対象にした風洞実験の濃度の最大値よいほど、風洞実験による予測、評価を行ってきた。

から α が 2.3、地形と平地の最大濃度が出現する距離の一方、1999 年の環境影響評価法の施行にあわせて作

比 6.7/13.4 からβが 0.5 と評価される。α の値は平坦な地成された資源エネルギー庁の「手引」では、以下の形では 1.0 前後であるが、地形が複雑になると３を超えように記載されている。「地形の影響については、数る場合もある。βの値は通常 1.0 より小さくなり、煙源

値計算による予測結果に大きな影響を及ぼすおそれの近くに高い山があったり、ダウンドラフト現象（山やがある場合には検討する必要がある。」ここで、数値

建物による気流と大気汚染物質の下降、図 1-5 参照）が計算とは次節で述べるプルームやパフの拡散式の意生じていたりすると 0.2 程度になる。

味である。
地形影響有無の判定は、「手引」の参考資料「新法ア

2-1-3

拡

散

式

セス対応解説書における補足説明（地形影響）について」をもとに行われる。大まかに言えば、煙源から５ km 以

⒜

平地条件

内の最大標高が有効煙突高の 0.6 倍以上、あるいは、煙

ここでは、代数計算で比較的簡単に大気汚染物質の源から 20km 以内の最大標高が有効煙突高の 1.0 倍以上

濃度を求める手法を拡散式と呼ぶ。拡散式はコンピュの場合は、地形影響ありと判定される。この判定基準

ータを用いて拡散方程式を数値的に解く数値モデルとは、過去の重合法の風洞実験データを整理して得られは区別される。拡散式の多くは、大気汚染物質の濃度たものである。地形条件で最大濃度が平地の何倍になが正規分布すると仮定している。定常状態で煙が連続るかを表す比（最大着地濃度比 α、本節末参照）が 2.5 を的に流れていく状態をプルーム（羽毛の形状）と呼び、超える条件が、地形影響ありの判定基準に対応していこのときの濃度を求める拡散式がプルームモデルである。

る。一方、瞬間的に排出された煙の塊をパフ（一吹きの電気事業は、従来、固定法で風洞実験を実施してき煙）と言い、この状態の濃度を求める拡散式がパフモデた。風洞実験ではまず、平地の気流状態を調整し、経ルである。プルームモデルでは、横方向と鉛直方向、

験的な拡散式の濃度分布を再現する。固定法では、短パフモデルではさらに流れ方向に濃度が正規分布する。

期拡散予測と整合をとるため、ボサンケ・サットン式

通常、濃度分布の標準偏差を煙の拡がり幅という。図が平地の拡散式として使用されてきた。ところが、新2-3 にプルームモデルとパフモデルの概念を示す。煙突

しい「手引」では、拡散計算は年平均値も短期的な変3

動も、原則、窒素酸化物総量規制マニュアル［増補改訂版］（NOx マニュアル）２）にもとづいて実施すること

体的な記述はないが、排煙上昇式や拡散式は、NOx マ
ニュアルにあわせるのが妥当だろう。
風洞実験による地形影響評価項目は以下の通りである。
最大着地濃度比 α ＝地形を入れた場合の最大着地濃度/平板での最大着地濃度

濃度比γ（x）になった。風洞実験の実施方法について「手引」に具

● 平地

α

▲▲
▲
▲▲▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲

2

1

22

地形
拡散公式

●●●●●●●●
●●
▲●▲
● ●
●
▲ ▲
● ●
●
●
▲▲
▲
▲ ●
▲ ●
0 ▲
●●
▲●●

▲

0

β

10

1

20

30

風下距離x（km）

最大着地濃度距離比β＝地形を入れた場合の最大
着地濃度距離/平板での最大着地濃度距離

▲

図2-2

風洞実験（●、▲）による地形影響評価例

から排出された煙は、図 2-3 ⒜の実線で示すように、煙しかし、テネシー州のような内陸の実験結果を、気象のもつ熱量と強制的な送風のために上昇する。拡散式

特性の異なるわが国の火力発電所が立地する臨海地域

で濃度予測を行う場合、通常、煙の上昇過程は別に扱へ適用するには問題がある。電力中央研究所は、わがい、煙突真上の有効煙突高の位置に相当する仮想煙源

国の火力発電所の排煙に適した煙の拡がり幅を提案しから地面に平行に煙軸を設ける。

た ９、10）。その結果を図 2-4 に示す。これらは、公害資煙の拡がり幅は煙源からの風下距離とともに大きくな源研究所（現在の資源環境技術総合研究所）が 1969 年

る。テイラー（1921 年）は、乱流拡散の統計理論により、から 1973 年に 11 地点、電力中央研究所が 1963 年から煙の拡がり幅を風下距離の関数として与えた。テイラー

1974 年に８火力発電所で行った野外トレーサ実験のが導いた式には、評価が難しい速度変動の相関係数が含データを整理して得られた。両方とも日中のデータでまれている。実用的な煙の拡がり幅は、サットン（1947ある。日中、夜間の風向変動の標準偏差が類似してい年）、パスキル（1961 年）、ブリグス（1973 年）らによってることから、横方向の煙の拡がり幅は日中、夜間で同提案された。各人の煙の拡がり幅を用いたプルームモデ

じとした。夜間における鉛直方向の煙の拡がり幅は、

ルが、それぞれサットンの式、パスキルの式、ブリグス

ドイツ・カールスルーエ原子力研究センターで実施さの式である。サットンの式に含まれる拡散パラメータは、れた野外トレーサ実験の結果を参考に決めた。図 2-4

風速や気温などの気象要素によって決めることができず、にはパスキルとサットンの煙の拡がり幅も記載されて経験的に与えざるを得ない。パスキルの煙の拡がり幅は、いる。横方向の煙の拡がり幅は、観測時間が長くなる

日常的に観測される風速、日射量あるいは放射収支量をほど大きくなる。図でパスキル、サットンの拡がり幅

もとに評価できる。そのため、年間を通した毎時の気象は３分間値、電力中央研究所の拡がり幅は１時間値で変化に対応して拡散予測ができる。パスキルの煙の拡がある。

り幅は、丈の短い草原での実験データを整理したもので排煙上昇の予測は、窒素酸化物総量規制マニュアル２）

ある。都市部のように地表面の凸凹が大きく、特に夜間ではコンケイウ式を選択している。この式で排煙上昇のヒートアイランド下では拡散が促進されることを考慮

高さは、排出熱量の 1/2 乗、風速の− 3/4 乗に比例する。

して、ブリグスは田園地域と都市域に分けて拡がり幅の

電力中央研究所は火力発電所排煙には、日中はコンケ

７）

公式を提案している 。

イウ式の比例定数を 1.3 倍することを提案した。

上記の実用的な煙の拡がり幅は、もともと高煙突の⒝

大規模拡散用に提案されたものではない。高煙突の煙

建物や山がある場合には、煙が建物背後に巻き込まの拡がり幅としてアメリカのテネシー川流域開発公社（Tennessee Valley Authority: TVA）の線図

拡

８）

散

程

σ

●

濃度分布
σ

濃度分布

煙の拡がり幅（標準偏差）

煙突実高 上昇高さ
△h
Ho

仮想煙源

煙の拡がり幅煙

上昇過程

有 効 煙 突 高Heれたり、地形、建物の影響で気流が上昇、下降したり

がある。

過

地形条件

煙軸
（プルーム中心軸）

煙
突

⒜

プルーム

⒝

図2-3

パフ

プルームモデルとパフモデル

電中研レビュー No.38 ● 23

10000弱風時（U＝1m/s）
有風時（U≧2m/s）

5000

5000

A B
ABBC C
CD
D
夜間

鉛直方向の煙の拡がり幅σz（m）

水平方向の煙の拡がり幅σy（m）

1000
1000
500

100
50

A
B
C
D
E
F

500

100
A

50

B
C
D

10

E
F

5
10

0.1

0.5

1
5
10
風下距離 x（km）

50 100

電力中央研究所、

⒜

1
0.1
パスキル、

0.5
サットン

1
5 10
風下距離 x（km）
A〜Fは大気安定度

⒝

水平方向

図2-4

する。このような場合には、煙軸や煙の拡がり幅を修50 100鉛直方向

煙の拡がり幅て全体の風の場を求めるものである。

正した拡散モデルが提案されている。アメリカのコン

電力中央研究所はポテンシャル流で煙軸を予測する

サルタント ERT（現在の ENSR）のイーガン（1975 年）は、

拡散式（正規分布型流跡モデル）を開発した 13 〜 15）。この

煙軸を以下のように決めることを提案した 11）。「評価点モデルの特長は、一様流と水平面に配置した３次元複の標高が有効煙突高さより低い場合は、有効煙突高さ

源の合成により得られる流線を煙軸とすることである。

から地形標高の 1/2 を減じた値を煙軸と地形表面の距離複源とは、図 2-5 ⒜に示すように、一様流と合成するととする。評価点の標高が有効煙突高さより高い場合は、球（図では半球）まわりの流れが得られる場である。複有効煙突高さの 1/2 を煙軸と地形表面の距離とする。」

源の数を増し、一つ一つの複源の強さを変えると、図アメリカの環境保護庁が 1980 年代に開発した複雑地形⒝のように流線が起伏を帯びる。ある流線を地形、地上の拡散モデル CTDM（Complex Terrain Dispersion

形上空の流線をプルーム中心軸（煙軸）とみなすことが12）では、ある高さを境に流れのパタンを２つできる。同様に図⒞のように強さの異なる複源を平面に分けている。下側の流れは鉛直方向にほとんど運動

上に配置すると、複雑な地形とその上空にプルーム中しないとしてポテンシャル流理論で、上側の流れは地心軸が得られる。地形影響を受けた煙の拡がり幅は、

形を上昇、下降するとして線形の運動方程式で求めて、既存の風洞実験データから、平地と比べて横方向は約

煙軸を評価している。また、煙の拡がり幅は地形によ２倍、鉛直方向は２〜３倍の値にした。本正規分布型

る流線の歪みを考慮して補正されている。

流跡モデルを、野外での模型および実規模のトレーサ

Model）

煙塊の移動に、風の地形による空間変動や時間変化を考慮したモデルは、流跡線パフモデルと呼ばれる。

実験結果で検討したところ、大気が不安定、中立状態
では比較的よい予測精度が得られた。

煙塊の流跡は場所や時間によって変化する風の場（風系）
をトレースすることによって求める。地形の影響を受

2-1-4

数値モデル

けた風の場を予測するのに、客観解析法がよく使われる。客観解析法は、対象とする領域で何点かの観測風のデータがある場合、それらのデータを内挿、外挿し

24

⒜

気流モデル
わが国の場合、火力発電所は複雑な地形に立地され

や数値解析手法の発達により、乱流モデルが広く用いz⒜られている。 電力中央研究所では、火力発電所の排ガ
yス拡散予測を効率的かつ精度よく実施するために、 乱流モデルにもとづく気流モデルを開発してきた 16 〜 18）。
当研究所の気流モデルは、図 2-6 に示す地形に沿った座標系で計算される。実際の座標系（x,y,z）で、地表面x×0と計算領域高さ間の格子数を一定にし、地表面上の領複源

域高さに按分比例させて格子幅を変化させる。水平方z⒝

向には数 100 ｍ程度の間隔で地形標高を与える。実際のy座標系で計算格子を与えた後、計算上の座標系（ξ,η,ζ）
で数値計算を行う。この方法では、格子生成に関して、

模擬
地形
×

×

×

x

×

特に専門的な知識や経験を必要としない。
気流モデルでは、熱的に中立な状態においては水平

複源⒞

方向の風速成分と乱れを計算する。乱れの計算には、

y
z

×

×

プルーム
中心軸
×

×

×

×

0

乱流のモデル化（乱流モデル）が必要で、当研究所では高度な代数応力方程式モデルを採用した。また、日射

模擬地形等の影響により地表面温度が上昇するような非中立時にx

気流計算を行う場合、気温や温度乱れの計算を加える。
方程式系の複雑さを和らげるため、幾つかの簡略が

×

×

×

施された。例えば、諸物理量の水平方向の変化に比べ

図2-5 ポテンシャル流理論にもとづくプルームモデルて鉛直方向の変化が大きい大気境界層では、水平方向の変化を省略する（境界層近似）。大気密度と圧力の釣り合いを仮定して、鉛直方向の輸送方程式を簡略化することが多いため、気流および大気拡散におよぼす地る（静力学近似）。これらの近似は、急峻な地形に適用

形影響の検討は重要である。1970 年代後半から 1980 年

しなければ妥当と考えられている。

代前半にかけて、複雑地形上の気流計算に客観解析法

気流モデルは実際の大気で見られるような非定常現象

やポテンシャル流理論が適用された。最近は、計算機を組み込むことができる。例えば、地表面温度の日変化（実際の座標系）（計算上の座標系）

風

風

￣
H

H

zg

z

ζ

x, y

ξ，η

図2-6

地形に沿った座標系

電中研レビュー No.38 ● 25

を考慮できる。地表面温度は、長波および短波の放射、③セル内粒子モデル

潜熱や顕熱、地中への熱伝導等の熱収支計算から与えら④ラグランジュ型粒子モデルれる。また、時間変化する風などの観測データをモデル⑤濃度変動の予測モデルに取り込み、予測値と観測値の乖離を防ぎながら、非定パフモデル、プルームモデルは、2-1-3 節に示した拡常な現象を追随できる（４次元同化）。

散式に属する。ここでは、拡散方程式を数値的に解く

図 2-7 は複雑地形上の気流を計算した結果である。地形範囲は横方向に約 17km、縦方向に約 13km である。
地形の最大標高は 500m 強で、起伏は実際より誇張して数値モデルとして②以下を扱う。大気中での物質の物
理、化学過程は拡散方程式により記述できる。
［時間変化］＋［移流］＝描かれている。地形の影響を受けた風ベクトルの変化［拡散］＋［化学反応］＋［発生］＋［除去］が示されている。また、地形上で気流の乱れが増加す

ここで、
［移流］、
［拡散］＝関数 （f 地形、建物、気象など）

る結果が計算された。これらは風洞実験結果とよく対

移流項、拡散項は図 1-5 に示した地形、建物、気象条応している。図 2-8 は気流モデルと野外気象観測の比較

件等の影響を受ける。また、化学反応は気温や乱れ等、である。気流モデルと気象測器の時間応答性が異なる

除去過程は地表面状態、風速、降水強度等によって変ため、計算結果は観測結果に見られる細かな振動に追化する。

随できないが、風向、風速の時間変化をよく表現して厳密な拡散方程式をそのまま解くことはできないのいる。図 2-9 は気流モデルで計算した乱れの時間変化でで、何らかの簡略化（モデル化）が必要となる。本節である。日射の影響により時間とともに地表面温度が上昇し、乱れの大きな混合層が発達している。

360

的よく予測した。本モデルで計算された平均風や乱れは、次項で述べる排ガス拡散を計算するラグランジュ

270

風向（°）

気流モデルは、風洞や野外で観測される現象を比較

計算値
観測値

180
90
0
9

型粒子モデルの入力になる。

11

13

15

時

⒝

拡散モデル

⑴

拡散モデルの分類

風速（m/s）10

拡散モデルは大まかに以下のように分類できる 19、20）。

6②Ｋ理論の拡散モデル

計算値
観測値

4
2
0

①パフモデル、プルームモデル

9

11

図2-8

図2-7

26

8

複雑地形上の気流計算結果

13

15

時

風向、風速の計算と観測の比較

鉛直方向距離（km） 鉛直方向距離（km） 鉛直方向距離（km）

3

午前９時

0

午前
-12

-6

0

6

12

↑

東西方向距離（km）
3

km
正午12時
正午

0
-12

3

-6

0

6

12
東西方向距離（km）

km
午後15時

↓
午後

0
-12

-6

0

6

12
東西方向距離（km）

陸 ←

図2-9

↑
発電所

→ 海

大気乱れの時間変化（赤：乱れ大

青：乱れ小）

は、まず、化学反応や除去過程を考えないことにする。

領域を区切ったセルに入っている粒子の個数から求め拡散項には物質の輸送量を表す濃度フラックス（速度変る。粒子はセル間の濃度勾配力で動くため、拡散によ

動と濃度変動の積の時間平均）が含まれる。この濃度フる移動距離は同一セル内の粒子すべてについて同じでラックスを渦拡散係数Ｋと濃度勾配を用いて簡略化しある。この点が、一つ一つの粒子が独立に動くラグラたものが、②のＫ理論の拡散モデルあるいはＫ理論のンジュ型粒子モデルとは異なる。

式である。Ｋ理論の式において、渦拡散係数や風速が④のラグランジュ型粒子モデルは、セル内粒子モデル

どこでも同じなどの条件で簡略化すると、解析的に解と同様に、大気汚染物質を多数の粒子で模擬する方法でけてプルームモデルやパフモデルの式が導かれる。地ある。粒子は大気の乱流特性により移動する。本モデル

面に近いところでは、鉛直方向の渦拡散係数は高さにには、ランダムウォークモデル、モンテカルロモデル、比例する。このことを考慮して拡散方程式から解析的

確率微分方程式モデル、マルコフ連鎖モデルと呼ばれてに導かれた拡散式が坂上の式21）である。しかし、拡散いるものが含まれる。ただし、セル内粒子モデルは、濃式の解析的な誘導には限度があって、地形や建物の影

度勾配力が粒子の移動を決める手順を含むため、オイラ

響で風の場や渦拡散係数が場所によって大きく変化すーとラグランジュのハイブリッド型で、完全なラグランる場合には、拡散方程式を数値的に解かざるを得ない。

ジュ型モデルではない。なお、格子点やセルのように固拡散方程式を、差分法や有限要素法を用いて、ある時定座標系で扱うものをオイラー型、粒子の軌跡のように間間隔、距離間隔（格子点）の式に変えることによって、移動座標系で扱うものをラグランジュ型と言う。粒子のコンピュータで数値計算できるようになる。

追跡間隔が渦の寿命より大きいとき、ラグランジュ型モ③のセル内粒子モデルは、ガス状、粒子状を問わず、デルはオイラー型のＫ理論の拡散方程式と等価になる。

大気汚染物質を模擬した多数の粒子を平均風とＫ理論

ラグランジュ型粒子モデルの支配方程式は、粒子の速度の拡散で移動させる方法である。大気拡散の分野では、と位置に対する確率微分方程式である。確率微分方程式

原子力施設の緊急時予測システムとして実用化されたは、時間と共に変化する不確定な現象を表す。

ADPIC（Atmospheric Diffusion Particle-In-Cell）というＫ理論の拡散モデルでは、濃度フラックスをモデル

モデルが有名である。このモデルで濃度分布は、対象化するのに対し、⑤の濃度変動の予測モデルでは、濃電中研レビュー No.38 ● 27

度フラックスや濃度変動の分散についても方程式をたてて予測する。濃度フラックスは濃度変動と速度変動の２次の相関、濃度変動の分散は濃度変動同士の２次の相関である。２次の相関の方程式には３次の相関が含まれる。３次の相関については方程式をたてず、モデル化を行ったものを２次のクロージャーモデルという。平均濃度だけでなく濃度変動まで予測できるモデルとして、他に LES（Large Eddy Simulation）
型の拡散

図2-10

ラグランジュ型粒子モデルの計算結果モデル、ラグランジュ型粒子対（つい）モデルがある。
これらは、毒性や可燃性ガス、悪臭物質など、平均濃度よりも瞬間的な高濃度が防災対策上重要な場合に必粒子が、複雑な地形上を拡散しながら移動している。

要になる。

拡散モデルの妥当性は、風洞実験や野外トレーサ実験を行って確認した。図 2-11 は拡散モデルと風洞実験の⑵

電力中央研究所の数値モデル

比較で、排ガス濃度の鉛直断面を示している。風洞実

電力中央研究所では、火力発電所の排ガスを対象に、験は熱的に中立な状態で実施された。図 2-12 は拡散モ

拡散モデルを用いた地形影響評価手法を開発した。防デルと野外トレーサ実験の比較で、排ガス濃度の地表災対策でなく通常の環境影響評価に用いること、適用濃度を示している。野外トレーサ実験は、1994 年、95

範囲が広く、モデルの考え方が自然で理解しやすいこ

年の夏の日中に実施された。複雑な地形や地形と日射とを考慮して、拡散モデルとして④のラグランジュ型の両方の影響を受けた排ガス濃度分布が、拡散モデル

粒子モデルを選択した。幾つかあるラグランジュ型粒で精度よく予測できた。

22）が 1987

図 2-13 は数値モデルによる地形影響評価の手順であ年に提案したモデルは、地形や熱によって生じる複雑る。まず、平地を対象に数値モデルによる気流、拡散な気流条件、乱れの発生頻度が正規分布しない気流場計算を行い、既に提案されている経験的な拡散式の濃（非正規な乱流場）、乱れが場所によって異なる気流場

度分布を再現することを確認する。このとき、拡散式（非均質な乱流場）に適用できる潜在的な可能性をもっの濃度分布を再現するまで、気流計算の条件を変化さていた。また、排煙上昇過程を、鉛直成分の運動方程せる。次に、気流計算の流入境界条件を平地と同じにし式に浮力による粒子上昇の加速度項を付け加えるだけて、地形を対象に気流、拡散計算を行い、最大着地濃度で組み込むことができる。1990 年代初めまでに、２次比 α、最大着地濃度距離比β、煙軸上着地濃度比γ（x）を元の熱的影響が強い、対流の盛んな領域（対流境界層）評価する。α,β,γ（x）については 2.1.2 節（c）項に式を示子モデルの中で、イギリス気象局のトムソンの拡散予測へ適用された例は幾つか見られたが、地形条件下での大気拡散予測に使われたことはなかった。
当研究所は資源エネルギー庁からの委託研究の中で、1992 年から５年かけて、トムソンのモデルを複雑地形条
件、熱的影響の強い条件、排煙上昇過程を考慮した条件に適用できるように、拡散モデルの開発を行った 23 〜 26）。
さらに、開発した拡散モデルを用いて、風洞実験の代替となりうる地形影響評価手法を提案した

27）

。なお、

拡散モデルに必要な乱流データは⒜項で述べた当研究所が開発した気流モデルにより与える。

計算

2000

3.2E-06
4.0E-07高さ︵ 1000
ｍ
︶
0
0

地形
風洞実験

2000
高
さ
︵ 1000ｍ︶
0濃度

風下距離（km）

30

地形
0

風下距離（km）

30

図 2-10 にラグランジュ型粒子モデルの計算結果を示す。図の左側から放出された大気汚染物質を模擬した

28

図2-11

拡散モデルと風洞実験の比較（鉛直断面）

26km

102

10
50
49

87
100

507
400
18

地形等高線
（200m間隔）

0 km

図2-12

拡散モデルと野外トレーサ実験の比較（：計算結果と●：実験結果の地表濃度が同じレベル）

数値モデルによる排ガス拡散計算（平地）

経験的な拡散式の再現（平地）

ケイウ式を用いて排煙上昇高さを求め、パスキル式の
１時間濃度を再現する。
図 2-14 は最高標高が 1000 ｍを超える複雑地形を対象にγ（x）を評価した結果である。図には風洞実験の結果も示されている。対象地点に対して、数値モデルで評価

数値モデルによる排ガス拡散計算（地形）
平地と同じ流入気流条件、モデルパラメータ

した α は２強、βは 0.5 程度であった。α については風洞実験より若干高く、βについてはほぼ同じであった。
数値モデルが風洞実験の代替として、排ガス拡散におよ

地形影響の評価
・最大着地濃度比
・最大着地濃度距離比
・煙軸上着地濃度比

ぼす地形影響評価に使用できることが確認できた。今後
は、プリ・ポスト処理を含めて、誰でも簡単に排ガス拡散予測ができる解析ツールの開発を進める予定である。

図2-13

数値モデルによる地形影響評価の手順
3
数値モデル（地形）数値モデル（平地）
風洞（地形）した。なお、図 2-13 の基本的な考え方は、風洞実験による地形影響評価手法と同じである。ここで、基準として使われる経験的な拡散式による平地の濃度分布の相対濃度（−）

2.5
2
1.5
1

再現であるが、以下のように考えるとよいだろう。資

0.5

源エネルギー庁の「手引」 １）では、長期予測に「NOx0マニュアル」

２）0の使用を原則としていること、地形影

響評価を実施するかどうかの判断基準が重合法（１時間値対応）の風洞実験にもとづいていることから、コン

図2-14

5

10

15
20
風下距離（km）

25

30

数値モデルによる煙軸上着地濃度比γ（x）の評価と風洞実験の比較

電中研レビュー No.38 ● 29

２−２

原子力発電所も特徴的なことは、放射性物質の拡散におよぼす地形

2-2-1

地形と建屋影響の評価

や建屋等の影響を風洞実験で検討していることである。
これは、原子力発電所が地形の複雑な地点に設置されることが多い、わが国固有の評価手法である。

原子力発電所を新設あるいは増設する場合には、安
全解析の一環として、排気筒から放出される放射性物

わが国で原子力発電所の排ガス拡散におよぼす地形

質による被曝線量を評価する必要がある。わが国で現影響を評価したのは、東海発電所建設時の安全解析が在用いられている線量評価手法の概略を図 2-15 に示す。

最初である。地形影響は、丘状地形の断面を円弧と弦

この評価手法を欧米各国の評価手法と比較すると、最からなる割円に置き換え、ポテンシャル流れによりプ

平常時

事故時

排出条件設定（排出速度、排気筒内径等）

年間気象観測年間風向別平均風速

排ガス上昇高さ
計算

放出源高さ設定（排気筒高さ＋上昇高さ）

風 向
風 速
大気安定度

放出源高さ設定（排気筒高さ）

風洞実験（平地実験、地形実験）

排気筒有効高さ評価（平常時）

排気筒有効高さ評価（事故時）

放射性物質放出量（平常時）

放射性物質放出量（事故時）

ガウス型拡散式

γ線量計算モデル

平常時線量当量

図2-1530

事故時線量当量

原子力発電所の安全解析で用いられている線量評価手法

ルーム軸の変化を計算して評価した。その後、風洞実開発した。その結果、線量モデルで計算した原子力発

験により検討する方法が採用されたが、地形影響を定電所排ガスによるガンマ線照射線量率は、バックグラ

量化して線量評価に組み込む方法が定められなかった

ウンドを差し引いた測定値とファクター２以内で一致ため、実験結果は参考資料の域を出なかった。

すること、静穏時には気象指針等をもとにした安全解1982 年になると「発電用原子炉施設の安全解析に関析モデルによる線量計算結果は、原子力発電所の一般

する気象指針」（ 以下、気象指針という） 28） によって、的な敷地境界である 500 〜 1000 ｍ程度以遠で過大にな

風洞実験による地形影響評価法と排ガス拡散におよぼることが明らかになった。

す地形や発電所建屋の影響を放出源高さの変化（2-2-3 節の排気筒有効高さを参照）として評価する方法が定めら

2-2-3

風洞実験手法れ、現在に至っている。なお、アメリカでは風下に地形がある場合には、放出源の高さからその地形の高さ

原子力発電所を対象とした排ガス拡散に関する風洞を差し引いた高さを放出源高さとして、拡散計算を行

実験の目的は、排ガス拡散におよぼす地形や発電所建う方法が用いられている

29）。

屋の影響を放出源高さが変化したものとしてとらえ、線量当量の計算に用いる排気筒有効高さを求めること

2-2-2

線量評価手法である。これは、地形がある場合の地表最大濃度とその出現距離を平地の結果と相対比較する火力発電所の平常時および事故時の線量当量評価手法の概略が図 215 に示されている。気象観測は発電所敷地内またはそ

風洞実験とは、目的や手法が幾分異なることを意味する。

の周辺の適切な場所で実施する。排ガス拡散に直接関実験で必要な相似条件は、火力発電所を対象とした係する排気筒出口の風向、風速は、鉄塔やドップラー

実験とほぼ同じである。ただし、気流の乱れは、気象

ソーダを用いて観測する。排ガスの拡散状態を決める

指針に示されている排ガスの水平方向、鉛直方向の拡

大気安定度は、観測柱の地上 10 ｍ高の風速と地上約 1.5

がり幅を相似させるように与える。

ｍの高さで測定した日射量、放射収支量から求める。

実験方法の概略を図 2-16 に示す。一般にガンマ（Γ）

平常時は気象観測で得られた年間風向別平均風速を用型と呼ばれる模型排気筒の出口を放出源高さに設定し、いて排ガスの上昇高さを計算し、これを排気筒高さに水平にトレーサガスを放出して、風下における地表濃加えたものを放出源高さとする。また、事故時は排気度分布を測定する。得られた地表濃度分布から、地表筒高さを放出源高さとする。

プルーム中心軸濃度分布を求める。地表プルーム中心

平常時と事故時では適用する気象条件が異なる。す軸濃度分布を用いた排気筒有効高さ He の評価例を図 2-

なわち、平常時では年間の平均的な線量を評価するこ

17 に示す。平地実験と地形実験における地表濃度分布とを目的としているため、気象データは年間平均値をを比較し、敷地境界に代表される線量評価地点以遠を用いている。一方、事故時では年間の気象データのうち、出現頻度から見てめったに出現しないと思われる
厳しい条件を適用している。線量当量評価にあたって

トラバース装置（x, y, z）

は、排気筒有効高さ、気象条件、放射性物質の放出量

濃度測定システム
濃度測定用プローブ
放出源位置

乱流格子
模型排気筒
スパイヤー
スティムレータ（アングル等）を与えて、正規分布（ガウス）型拡散式により放射性物
質の空間濃度を計算する。さらに、外部被曝線量を計
地形模型

算する場合には、ガンマ線線量計算モデルにより空気

建屋模型

フローメータ

吸収線量率を計算した後、線量当量を評価する。
以上は気象指針にもとづく線量評価手法であるが、

C2H4

Air

電力中央研究所では、ガンマ線照射線量率の短時間変動特性の評価 30、31）や静穏時の線量評価 32）を行う手法を

図2-16

風洞実験の概略

電中研レビュー No.38 ● 31

対象として、平地実験で得た地表濃度が地形実験にお価される。また、平常時を対象とした実験結果では同ける地表濃度を下回らないような分布を示す平地実験

様に He ＝ 120m と評価される。

の放出源高さを He とする。言葉ではわかりにくいので、

電力中央研究所では、上に示した安全解析のための

図 2-17 を例に説明する。事故時を対象とした地形実験

風洞実験手法について、より合理的、効率的なものにの地表プルーム中心軸濃度を見ると、敷地境界以遠でするため、排ガスの上昇軌跡、上昇高さを考慮する方は平地実験における放出源高さ 60m の地表プルーム中法、排ガスの横方向の拡がり幅を考慮する方法、現地

心軸濃度を下回わっている。この場合、He ＝ 60m と評

拡散実験の風洞内再現方法の検討を行った 33）。

×10-6
1000
H＝0m

15m

：地形実験（事故時）20m：地形実験（平常時）

500

：平地実験
25m

30m
100

50m

10

5

敷地境界

図2-17

32

1
風下距離：x（km）

300m

250m

0.5

200m

0.1
0.1

120m
140m
160m

0.5

100m

80m

1

70m

60m

基準化濃度：UC/Q（m-2）

40m

50

5

排気筒有効高さHeの評価方法

10

20

２−３

地熱発電所

実験では、冷却塔排気の上昇過程中の拡散を模擬する。

2-3-1

冷却塔排気の予測

また、予測対象範囲は風下２ km 程度と狭い。排気の上
昇過程の模擬は、ヘリウムと空気の混合ガスにより行

欧米およびわが国の地熱発電所のほとんどは、冷却う。相似則としてはフルード数の一致を考えるが、当塔により排熱を大気中に放出している。欧米では、冷然のことながら、排気に含まれる水分の相変化による却塔プルームの拡散について評価が可能なモデルが 10

熱の放出、吸収は風洞実験では考慮できない。

以上発表されている 34）。しかし、これらのモデルは、

温度あるいは密度の影響を大気と風洞実験で相似させ大容量の火力発電所や原子力発電所の冷却塔プルーム

1/2
る場合、相似則としてフルード数 Fr ＝ U/
（gL Δρ/ρ）に適用することを目的として開発されたもので、50MWが用いられる。ここで、ρは大気の密度[kg/m 3]、Δρ

程度の地熱発電所の冷却塔プルームへの適用可能性に

は排気と大気の密度差[kg/m3]である。代表長さＬとし

ついては確認されていない。また、地熱発電所の冷却て冷却塔出口の内径をとる。Δρ/ρを風洞と大気で合塔プルームは塔自身や発電所建屋あるいは周辺地形のわせると Um ＝ Up（Lm/Lp）1/2 の関係を得る。ここで、影響を受けるが、既存のモデルのうち唯一、これらの添字ｍは風洞、ｐは実大気に関する量を表す。Lm/Lp

影響を評価できるポリカストロら35）のモデルも、簡易

は模型縮率で 1/500 がよく用いられる。このとき、モデルを用いているため予測精度が十分とは言い難い。

Um ＝ 4.5x10-2Up となる。冷却塔の排気速度が 10m/s の現在、比較的予測精度が高く、かつ実用的な方法は風場合、風洞実験における排気速度は 0.45m/s である。実洞実験である。資源エネルギー庁の「発電所に係る環際の大気で風速６ m/s を対象とすれば、風洞実験は約1)

境影響評価の手引」 には、冷却塔排気に含まれる硫化水素の拡散予測について、次のように記載されている。

0.3m/s で行う必要がある。
冷却塔本体や発電所の影響を再現するためには、レ「着地濃度の予測は地形、建物の影響及び排気の上昇過

イノルズ数 Re ＝ UL/νを一致させる必要がある。νは程の相似性を考慮した風洞実験により行う。」しかし、空気の動粘性係数（m 2/s）である。代表速度を風速、代風洞実験の方法については何も記載されていない。

表長さを冷却塔高さあるいは幅とするのが一般的である。レイノルズ数の一致は、その値がある程度大きく、

2-3-2

風洞実験手法気流が乱流であれば無視してよい。
実験は、まず、平板を対象に気流調整を行い、排気電力中央研究所は、地熱発電所の冷却塔プルームをの上昇軌跡を経験式に合わせる。拡散については、排対象とした風洞実験手法を開発した 36）。この方法を以気の鉛直方向の拡がり幅σｚをＴＶＡ線図８）と比較し下に示す。

て妥当性を確認する。次に、地形模型を入れてトレー

地熱発電所は複雑地形内に立地され、冷却塔高さあるいは排気速度が低いことから、プルーム上昇中に最サ実験を行い、地表濃度分布を測定する。この結果か
ら硫化水素の地表濃度を評価する。

大の地表濃度に達する可能性がある。そのため、風洞

電中研レビュー No.38 ● 33

２−４

ま

と

め

電力中央研究所では、排ガス拡散予測に関する研究

最近では、排ガス拡散におよぼす地形影響を予測する

を風洞実験、計算の両手法により取り組んできた。風

数値モデルを開発し、風洞実験の代替手法として提案

洞実験は、火力発電所、原子力発電所、地熱発電所のした。本成果は資源エネルギー庁の発電所に係る環境

環境影響評価に多くの実績を残した。また、原子力施影響評価の手引に反映された。今後は、環境影響評価

設を対象に、風洞実験手法をより合理的、効率的なもの効率化、電源立地、核燃料サイクルに対する社会ののにするための研究を進め、その成果は風洞実験の内

理解と信頼の確保、国際的な環境問題の解決に貢献で規に反映された。計算に関しては、火力発電所排煙のきるように、排ガス拡散の研究、予測手法の実用化に

大気拡散予測手法を開発し、暫定指針案 37）という形で取り組んでいく。

はあるが、長年にわたって環境影響評価に一役かった。

34

コラム１

水を用いて空気の流れを再現

土木構造物や建築物の強度設計を行う際に考慮すべきラメータとしてレイノルズ数Re（＝流速×物体の大き

主要な荷重の一つとして、台風時などの強風による風荷

さ／動粘性係数）があげられる。形状が幾何学的に相似重がある。風から受ける荷重をいかに正しく算定して強な模型を用いて同じレイノルズ数を確保して実験を行うと、度設計を行うかは、コストを抑えつつも安全性の高いも空気でも水でも同じ特性の流れを再現することができる。

のを建設していく上で非常に重要なことである。電気事

水の動粘性係数は常温で空気の約1/15であることを利用業においても、例えば、山間の水力発電所や海辺の火力、すると、水路を用いた実験では風洞で実験するよりも遅原子力発電所から人々の生活圏まで、電気を運ぶ大切ない流速で同じレイノルズ数を確保することができる。一方、設備の一つである架空送電線路の耐風設計を合理化して現象の時間スケールは流速に反比例するため、低流速でいくことが重要な課題となっている。耐風設計に関する実験すると時間スケールが引き延ばされることとなり、研究を進めるにあたり、送電線路が設置される地点に吹同じ特性を持ちながらも時間スケールの大きいゆっくり

く風や送電線と鉄塔まわりの気流の詳細を明らかにしてとした流れとして現象を再現することができる。この結果、いくことが必要であり、風洞と呼ばれる設備と縮尺模型

微細な部分での流れの計測や可視化に有利となる。

を用いて、このような空気の流れを再現し、各種計測が( ) 流れを可視化する手段が豊富である。

行われる。しかしながら、相似則といわれる流体力学の

水路実験は、風洞実験と比較して、可視化手段が豊富で、原理にもとづいて、風洞のかわりに水路を用いて実験す

比較的容易である。また、上記(i)の理由から、より低流

れば、実際の空気の流れと同じ特性をもった流れを水流速で時間スケールを引き延ばして実験を行うことができによって再現することができる。相似則にもとづいて気るために、現象のメカニズム解明等の基礎的な実験にお流を水流で模擬した場合、風洞実験と比較して以下のよ

いては、より詳細な観察、可視化が可能になる。

うなメリットを活かした実験が可能となる1)。

電力中央研究所では、架空送電線路の耐風設計合理化( ) 低流速でレイノルズ数相似の実験が可能である。

に関する研究へ役立てるため、水路実験のメリットを活

一般に、物体まわりの流れにもっとも影響を与えるパ

かし、風洞実験にかえて大型の水路施設を用いた様々な

地下水槽
汲み上げポンプ

揚水流量

5m3/分
φ12m

大型ヘッドタンク

直径12m×高さ3m

123

入口6m×6m

出口2m×2m

直線部

流れ方向11m×幅2m×奥行き2m

3m

縮流部

4

境界層模擬用スパイヤー
境界層模擬用ラフネスブロック
13

１面

1.8m×0.8m可視化窓

２面

下部排水バルブ

直径1.6m7
給水

地形模型設置用ターンテーブル

6

流れ

1.8m×1.8m可視化窓

13.2m

計測部水路

口径600mm×４台

排水用コンクリート水路

計測室

2

5

2m 2m

9

給水配管

8
観測デッキ
3m

オーバーフロー配管

給水

排水

10

1

図１

11

大型水風洞設備の概要

電中研レビュー No.38 ● 35

実験を行っている。

部水路内に、尾根状の地形を模擬した模型を設置し、図

図１は当所が所有している「大型水風洞設備」の概要

２に示す方法によって流れを可視化した例である。また、を示したものである。⑧の水路内に様々な模型を設置し、

図４は、同様の方法で得た流れの可視化画像に対して模型まわりの流れの可視化や各種の測定を行う。本設備は、PIV（Particle Image Velocimetry）と呼ばれる手法を

大型ヘッドタンク③へ揚水後、重力を利用して水を駆動す適用して、模型まわりの流速分布を求めた例である。水る方式（重力落下式）を採用している。このため、大型の路実験による流れの可視化と画像処理を組み合わせるこ

ポンプによって強制的に水を循環させる一般的な回流水槽とにより、通常の風洞実験では得にくい空間的な流速分と比較して、偏流が少ないという特長をもち、水路制作費、布も比較的容易に得ることができる。

運転経費を大幅に削減しつつ大流量の実験が可能となる。

以上のように、相似則にもとづいて風洞実験にかえてまた、この設備は水路としては珍しい境界層模擬用水路で水路実験を行うことにより、風洞実験と比較して有利なあり、境界層模擬用スパイヤー⑥や境界層模擬用ラフネス実験を行うことが可能となる。ただし、ここで注意しな

ブロック⑦を使い分けることにより、実際の大気の流れとければならないのは、水路実験のデメリットとして、計同様の特性をもつ流れを模擬することができる。

測装置や模型の取付時の漏水防止、耐水圧処理や水路内

図２〜図４に、上記設備を用いた実験例を示す。急峻の水質管理が必要といった面もあり、実験の目的に応じな山間地に架空送電線路を建設する場合、地形の影響にて風洞実験と水路実験を使い分けることが重要であろう。

より局地的に強められた風を受け、送電鉄塔に被害が生

今後は、相似則にもとづき気流を水流により模擬してじることがある。これらの実験は、このような特殊地形

流れの可視化や計測を行うという手法を空力騒音分野へによる風の増速効果を解明するための研究の一環として適用することや、あるいは水と空気の密度の違いを利用実施されたものである。図３は、大型水風洞設備の計測して詳細な動的な流体力を計測すること等について検討

可視化染料注入系

流れしていく予定である。
垂直水路
可視化計測部

参考文献
１）江口譲、西原崇、1999、水試験による電線の風荷重低減化のメカニズム解明、電力中央研究所報告研究報

地形模型

染料注入
ポンプより
CCDカメラシリンドリカル
レンズ

告U96050

光ファイバーケーブル
アルゴンレーザー光源

可視化窓

図２

レーザーライトシートと蛍光染料を用いた可視化

図４

図３

36

尾根状地形まわりの流れの可視化写真

PIVによる尾根状地形まわりの流速分布
測定結果例