2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC iRICによる河川の数値シミュレーション iRIC Version2.0 概要案内 北海道大学工学研究院環境フィールド工学部門 水工水文学研究室 清水康行 1 Copyright iRIC Project. iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 2011年9月6日 豊平川 幌平橋より上流を撮影 2 1 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC Copyright iRIC Project. 3 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 昭和56年8月6日石狩川江別市美原地区の破堤浸水 (北海道開発局) 4 2 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org 1995年7月 関川 新潟県新井市美守 International River Interface Corporative iRIC iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 2011.9.6 十勝川水系音更川(帯広開発建設部) 3 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC iRIC version2.0 www.i-ric.org iRICプロジェクトについて International River Interface Corporative iRIC International River Interface Cooperative 国際的な 河川の 情報をやりとりするための Copyright iRIC Project. 共同体 8 4 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRICプロジェクト発足の背景 行政 iRIC 河川研究者・学生 財政の効率化・説明責任 → より効果的に事業の効果を見たい， 見せたい モデル開発・デバック・検証・ 解析・数値実験・・・ 研究成果・技術・知見の 河川の実態・予測・効果を 蓄積・更新・提供・公開 より分りやすく見る・示す より簡単に より速く より分かりやすく より正確 気候変動等による防災に対する不安 → 分りやすい説明により安心したい → 事業の効果・影響を知りたい 現場への技術適用等 → 設計・デザイン・予測・評価 河川技術者 市民 Copyright iRIC Project. 9 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC Interface developed by USGS for FASTMECH Interface developed by HRDPRC for NAYS MD_SWMS RIC-NAYS iRIC 1.0 (現行バージョン) FASTMECH, NAYS2D, MORPHO2D, STORM iRIC 2.0 (ほぼ完成) Nays3D, Nays_Flood, Delft3D, River2D….. 合流点、氾濫流(複数の流入源)、河岸侵食、混合粒径・・・・・ 5 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC iRICプロジェクト iRIC研究会 (日本) ・大学の研究者 ・土木研究所 ・財団法人 ・コンサルタント ・IT会社 ・USGS(米国)、イリノイ大学 ・Dltaras(オランダ） ・トレント大学(イタリア) ・TELEMAC(フランス・イギリス) iRIC version2.0 www.i-ric.org • iRIC とは? International River Interface Corporative iRIC 河川の流れと河床変動計算の解析およびプレ・ポスト用フリーソフト RCEM2011 12 6 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC http://i-ric.org/ RCEM2011 13 iRIC version2.0 www.i-ric.org iRIC International River Interface Corporative Nays2D 平面２次元 流れ・河床変動計算 iRIC Nays2D Flood 氾濫解析 NaysCUBE ３次元流れ解析 H23.12.25 X’mas Ver. ↑ リリース済み Morpho1D・2D 混合粒径河床変動モデル 津波モデル Nays2DV 鉛直２次元計算モデル ・・・・・ 全てが同じプラットフォームで動きます 14 Copyright iRIC Project. 7 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative これまで iRIC 不等流計算 ・計算は単純 ・水位がメイン ｉＲＩＣシミュレーション ・複雑な計算が容易にできる ・局所的な検討も可能 ・ビジュアル的にわかりやすい 15 Copyright iRIC Project. iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 計算例１ 最も単純な計算 石狩川中流部の平面２次元流れの計算 地形データ：定期横断測量データ使用 ソルバー：Nays2D 大横断測量データで 計算は可能！ 16 Copyright iRIC Project. 8 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC データの読み込み 横断データを整理し てiRICで読み込む 格子をつくる 計算条件を設定 計算実行 計算結果を表示 17 Copyright iRIC Project. iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC データの読み込み 格子をつくる 計算条件を設定 計算実行 分割数を指定するだけで自動メッシュ 化します 計算結果を表示 18 Copyright iRIC Project. 9 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org データの読み込み International River Interface Corporative iRIC 流量、粗度係数などをメニューで設定 格子をつくる 計算条件を設定 計算実行 計算結果を表示 19 Copyright iRIC Project. iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC データの読み込み 「計算実行」ボタンで計算スタート 格子をつくる 計算条件を設定 計算実行 計算結果を表示 20 Copyright iRIC Project. 10 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC データの読み込み 格子をつくる 計算条件を設定 計算実行 石狩川中流部の計算例 計算結果を表示 21 Copyright iRIC Project. iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 11 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC iRIC version2.0 www.i-ric.org • Example of iRIC output (Appetsu River) International River Interface Corporative iRIC 2003年 北海道厚別川の氾濫シミュレーション 12 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 赤無橋 About 5 km upstream from the mouth, the Atsubetsu River, 6 Aug. 2003 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 13 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 2003年 北海道厚別川の氾濫シミュレーション iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative Analysis area Ｂ iRIC 13KP 14KP Azuma bridge Mizuho bridge Minami ichijo bridge Ａ Repaired Forest Ｃ Repaired Forest Ｂ Repaired Forest A 14 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 札幌市 豊平川の樹木を含む出水時流れのシミュレーション iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 札幌市豊平川 樹木の繁茂度の違いによる洪水時の流況比較 15 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC サモア国アピア市における都市型水害のシミュレーション iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC ベトナム レッドリバーにおける洪水シミュレーション 32 16 2012/1/25 iRIC version2.0 Flow and www.i-ric.org morphologic change with FastMech International River Interface Corporative iRIC Knik River By Jon Nelson アメリカ アラスカ州 Knik川の河床変動 Visualize the result on iRIC RCEM2011 • Case1(Not considered inflow from tributary) – The vectors indicate that the flow in the tidal flats forms vortexes and the flow regime calculation did not converge. Velocity (m/s) Vector & Velocity contour 34 17 2012/1/25 Visualize the result on iRIC RCEM2011 • Case2(Considered inflow from tributary) – the centroids of the Kokuba and the Noha smoothly merge, passes over the tidal flat at a velocity exceeding 1 m/s. Velocity (m/s) Vector & Velocity contour 35 Visualize the result on iRIC RCEM2011 18 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 沖縄県 那覇市 国場川と野波川合流点の流況シミュレーション 37 iRIC version2.0 www.i-ric.org 忠別ダムとその上流部 International River Interface Corporative iRIC 渓流（1/13）と急勾配河川(1/50-1/70)からなる 変化に富む地形 Google Earth, 2010.9.25 download 2011年8月24日撮影北海道開発局提供 2011年8月24日撮影北海道開発局提供 ２つの重大被害箇所 （左：上忠別橋アバット部洗掘，右：道路洗掘） 19 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org 再現計算結果 流量ハイドログラフ M/標準 International 忠別川 流量ピーク 8/24 4時20分 （計算開始6時間20分後） 流量(m3/s) M/標準 計算開始 8/23 22時 River Interface Corporative H22年度8月大雨 災害調査委員会 iRIC 北海道 M/標準 M/標準 M/標準 M/標準 M/標準 0.00 ピウケナイ川 5.00 10.00 15.00 20.00 時間(hr) 水深コンタ図（動画） H18 航空写真 iRIC version2.0 再現計算結果との比較 www.i-ric.org 河岸侵食箇所 International River Interface Corporative iRIC 侵食箇所 流路の形成 上忠別橋陥没箇所 - 河岸侵食 - 2mの河床低下 第4回 平成22年8月大雨 災害調査委員会 資料 北海道 計算結果 侵食域 0.5m以上 2m以上の侵食 流路の形成 2m以上 H18 航空写真 20 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 音更川2011年9月 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative 速報版 2011年台風12号音更川の計算 iRIC 21 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org 越流破堤の研究 International River Interface Corporative iRIC 十勝川，千代田新水路 43 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 44 2011年4月28日の越流破堤実験 22 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative 平面二次元モデルによる計算 45 iRIC (禅野ら，2011) iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative さらに、機能もどんどん追加されています iRIC ①低水路と高水敷を分けてメッシュを作成できます 46 Copyright iRIC Project. 23 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC さらに、機能もどんどん追加されています ②作業レイヤーの半透明化で編集機能がアップ 47 Copyright iRIC Project. iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative さらに、機能もどんどん追加されています iRIC ③マルチビーム測量データから河床を３次元表示 48 Copyright iRIC Project. 24 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative さらに、機能もどんどん追加されています iRIC ④ DEMデータから作成された標高データの鳥瞰図表示 49 Copyright iRIC Project. iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC Copyright iRIC Project. 50 25 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC Rivers meander iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC Ob River 26 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC Ob River iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC ロシア国 オビ川の自由蛇行のシミュレーション 27 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 岩手県 陸前高田 10/25www.i-ric.org iRIC version2.0 International River Interface Corporative iRIC Before 日本百景 高田の松原 資料：東北開発建設部 28 2012/1/25 岩手県 陸前高田 10/25www.i-ric.org iRIC version2.0 International River Interface Corporative iRIC After 約20,000人の人工のうち、約2,000人の死者・行方不明者 広い平地、山から遠い 資料：東北開発建設部 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC 29 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org Urakawa International River Interface Corporative Contour line iRIC Red is 20m level. Tsunami direction iRIC version2.0 Level (s) www.i-ric.org 20 International River Interface Corporative iRIC 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 Time (s) 30 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC iRIC version2.0 Sapporo www.i-ric.org topography Contour line International River Interface Corporative Red is 8m leveliRIC . Tsunam i directio n 31 2012/1/25 iRIC version2.0 www.i-ric.org International River Interface Corporative iRIC iRIC Full 3D Simulation Engine CUBE Nays & Nays 北海道大学 木村 一郎 64 32 2012/1/25 Agenda Part 1: Nays CUBEの基本コンセプト Part 2: Nays CUBEの主な特徴 Part 3: Nays CUBE 計算事例 Part 4: Nays CLIP (鉛直二次元モデル) Part 5: Nays CUBEの基本操作 （時間があれば簡単なデモを行います．） ＋ 65 Part I Nays CUBEの基本コンセプト 66 33 2012/1/25 基本コンセプト 水平方向を一般曲線座標 鉛直方向をシグマ座標 実河川の計算のみならず，開水路実験の再現も対象とする 茨戸川を三次元格子で分割した例 67 NaysCUBEの名前の由来 物理空間 計算空間 一般曲線座標の物理空間を一辺が１の立方体（CUBE） の集まりからなる，デカルト座標の計算空間に変換して， 計算を実行している． 68 34 2012/1/25 水面変動の計算方法の分類 境界捕捉法 境界適合法 VOF, MAC method, Density Function Method, etc. 柔軟性が高いが計算 負荷大 河床変動への適用に 課題 計算効率が良く，実河川の 計算に適する．河床変動へ の適用が容易 69 障害物や植生の取り扱いが容易 水面振動は運動学的条件で計算 河床変動は流砂モデルと河床連続式で計算 水没・非水没構造物の考慮 水没・非水没植生の考慮 70 35 2012/1/25 障害物設定を応用した例 複断面開水路 堰 71 Part II Nays CUBEの主な特徴 72 36 2012/1/25 多彩な境界条件設定 境界条件設定 ダイアログ 主流方向：通常境界条件，周期境界条件，反転周期境界条件 横断方向：通常境界条件，周期境界条件，対称境界条件 73 構造物壁面：摩擦考慮，非考慮 多彩な境界条件設定（１） ①主流方向の周期境界条件が有効な例 周期境界条件：流出部の水理量をすべて流入部に与える 周期性を有する現象を一周期分の計算領域で 効率よく再現できる． ・連続蛇行水路 ・砂堆 ・水制群 ・交互砂州 74 37 2012/1/25 多彩な境界条件設定（２） ②主流方向の反転周期境界条件が有効な例 反転周期境界条件：流出部の水理量を左右反転して上流に与える 半波長で反転する周期性を有する現象を 半周期分の計算領域で効率よく再現できる． ・連続蛇行流路 ・交互砂州 ・魚道など 75 多彩な境界条件設定（３） ③横断方向の周期境界条件が有効な例 周期境界条件：流出部の水理量をすべて流入部に与える 周期性を有する現象を一周期分の計算領域で 効率よく再現できる． 横断方向連続構造物 三次元砂堆 76 38 2012/1/25 多彩な境界条件設定（４） ④横断方向の対称境界条件が有効な例 対称境界条件：左右が対称な流れ場の対称軸を境界とし，鏡面 反射させる境界条件で，計算を効率化 左右岸の一方，あるいは両方に設定できる． FLOW 左岸対称境界条件 FLOW 半分の領域だけで計算 77 多彩な境界条件設定（５） 植生密生域の平衡区 間を反転周期境界条 件と対称境界条件の 組み合わせで表現し た例 78 39 2012/1/25 計算スキーム・乱流モデルなど 移流項スキーム （計算精度を大きく左 右する） 乱流モデル （二次流や非定常現 象，剥離などを再現 する上で重要） 一次風上スキーム（安定，低精度） 三次TVD-Musclスキーム（高精度） 標準型線形k-εモデル（安定，低精度） 二次非線形k-εモデル（高精度，時として 不安定） 時間積分：二次アダムス・バシュフォース法 圧力計算：動水圧を考慮したHSMAC法 79 河床変動の計算方法 現バージョンは掃流砂のみに対応 （後述の鉛直二次元ソルバーNays CLIPでは浮遊砂にも対応） 掃流砂量モデル （通常は，主流方向の河床 勾配の影響を考慮した Kovacs-Parkerモデルを推奨） MPM (Mayer Peter Muller) モデル 芦田・道上モデル Kovacs-Parker モデル 河床変動に関する計算条件 設定ダイアログ ⇔ 80 40 2012/1/25 Part III Nays CUBE 計算事例 81 事例１：某河川の湾曲部の流れ 流れのみの計算 第一種二次流の再現 82 41 2012/1/25 事例２：連続蛇行部の河床変動（１） 初期河床 ：平坦 周期境界条件：無限に連続する蛇行河 川における河床変動 河岸形状：サインジェネレイティドカーブ 83 事例２：連続蛇行部の河床変動（２） 84 42 2012/1/25 事例２：連続蛇行部の河床変動（３） 流れの剥離が 再現されてい る 河床変動と水 面変動 t=300secの形状と流線 85 事例３：植生密生域の流れと河床変動 FLOW 簡単のため 角柱でやって みる． 86 43 2012/1/25 事例３：植生密生域の境界条件設定 87 事例３：植生密生域の流れと河床変動（動画） 88 44 2012/1/25 事例３：植生密生域（t=13sec） 89 事例4：第二種二次流（縦筋）と河床変動 直線水路の二次流再現 直線人工河川（琵琶湖疏水）で観察された第二種二次流 Nezu and Tominaga (1993) 河床に流 方向に筋 状の凹凸 90 45 2012/1/25 事例4：第二種二次流と河床変動 周期境界条件 一様な矩形断面 直線開水路を仮 定 主流方向の格子 洲は，３セル （横断方向50, 鉛直方向10) 第二種二次流は乱流の非線形性に 起因する現象 乱流モデルは必ず「非線形k-εモデ ル」を選ぶ！！ 91 事例4：第二種二次流と河床変動 周期境界条件 一様な矩形断面 直線開水路を仮 定 主流方向の格子 洲は，３セル （横断方向50, 鉛直方向10) 第二種二次流は乱流の非線形性に 起因する現象 乱流モデルは必ず「非線形k-εモデ ル」を選ぶ！！ 92 46 2012/1/25 事例4：第二種二次流（乱流モデルの設定） 93 事例4：第二種二次流（二次流発達の動画） 94 47 2012/1/25 事例4：第二種二次流（河床変動の動画） 95 事例4：第二種二次流（t=400sec） 96 48 2012/1/25 Part IV Nays CLIP (鉛直二次元モデル) 97 Nays CLIPとは Nays CUBE 完全三次元モデル 掃流砂のみ 計算時間大 Nays CLIPの特徴 三次元空間から鉛直二次元空間を 「切り取る」というイメージからCLIPと名付けた． Nays 鉛直二次元モデル 掃流砂＋浮遊砂 計算時間小 ・Nays CLIPはNays CUBEから派生したエンジン ・鉛直方向の変化が支配的な現象を軽快に再現する． ・現Nays CUBEに含まれていない浮遊砂モデルを装備 （但し，Nays CUBE次期バージョンは浮遊砂モデル装備予定） 98 49 2012/1/25 Nays CLIPの概要 適用例： ・ダムなどの深い流の流動や土砂移動 ・Duneのような二次元的河床波 ・堰を超える流れなど・・・・ スキーム，乱流モデルなど ・NaysCUBEと同一（Nays CUBEのマニュアルがほぼ そのまま適用できる．） 計算格子 ・等幅で，横断方向の格子数が１の格子を 用いる． Nays CLIPで用い る格子の例⇒ 99 事例：ダムの浮遊砂堆砂とゲート排出 循環流の発生 浮遊砂の一部は ゲートから排出 堆砂の進行 クレストゲート越流 時の堤体底部付近 の循環流 この渦と浮遊砂が いかなる相互作 用？ 100 50 2012/1/25 事例：ダム堆砂（浮遊砂条件設定） 101 事例：ダムの浮遊砂堆砂とゲート排出 計算格子 浮遊砂モデル・・・板倉・岸モデル 102 51 2012/1/25 事例：ダム浮遊砂堆砂ゲート排出（動画） 103 Part V Nays CUBEの基本操作 （時間があればここで簡単なデモを行います．） 104 52 2012/1/25 計算のフロー Step 1: 計算格子の作成 ・実河川の地形を用いる場合 ・単純な形状をiRIC内で作成することも可能 Step 2: 計算条件の設定 ・流量，計算時間，河床条件などを設定 Step 3: 計算の実行 ・計算エンジンが計算を実行します．ユーザ は実行ボタンを押すだけです． ・計算途中でも，次の可視化を行うことがで きます． Step 4: 計算結果の可視化 作業終了 ・ベクトル，流線，等値面，パーティクル，コ ンターなどの多彩な描画機能が用意されて います． 105 Step 4: 計算結果の可視化 おわりに このスライドで示した計算例の計算所要時間は，事 例１を除いて，10分程度以内です．（ノートＰＣ使用） スパコンがなければ三次元計算ができなかったの は完全に過去の話です． ぜひ，このNays CUBE (& Nays CLIP)を通じて，三次 元計算（あるいは鉛直二次元計算）にトライしていた だけば幸いです． ＋ 106 53
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