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急勾配水路で壊れる流れと生き残る流れ-等流と転波列の数理-

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2026-09-16 京都大学

京都大学などの研究グループは、急勾配水路における水流について、従来安定な定常流として扱われてきた「等流」が条件によって数学的に不安定となり、代わって不連続な波状流である「転波列(ロールウェーブ)」が形成・維持されることを明らかにしました。一次元浅水方程式に対して「弱エントロピー解」の理論を適用し、農業・土木工学で十分に説明されていなかった現象を厳密に解析したものです。転波列はダム放水路などの水理構造物だけでなく、急勾配の道路などにも見られます。本成果は、安定した等流を前提とする水理構造物の設計・管理の再検討につながる可能性があり、今後は魚道など生態系に配慮した構造物への応用も検討されます。

急勾配水路で壊れる流れと生き残る流れ-等流と転波列の数理-
蔵王ダム(日野川流域土地改良区)とヨルダン王国カラク県の道路で見られた転波列(宇波撮影)

<関連情報>

1 次元浅⽔流⽅程式における等流の⾮適切性と転波列の形成
Ill-posedness of uniform flows and formation of roll waves in the one-dimensional shallow water equations

Koichi Unami;Dia Zeidan;Yuka Matsutoku
Physics of Fluids  Published:September 15 2026
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0341050

The one-dimensional shallow water equations (1D SWEs) represent the conservation laws of mass and momentum governing open channel flows. The 1D SWEs have significant non-trivial unsteady solutions known as roll waves, which are weak entropy solutions characterized by being continuously differentiable almost everywhere, while also containing discontinuities. Despite widespread use of the 1D SWEs in hydraulic engineering, their well-posedness issues have received comparatively limited attention. A well-posed problem implies existence, uniqueness, and continuous dependence on the given data, or stability, of its solution. This study critically examines Cauchy problems for the 1D SWEs with two aims: to demonstrate the existence of roll waves as weak entropy solutions and to investigate the conjecture that, when the trivial uniform flow is taken as the initial data, the Cauchy problem becomes ill-posed due to a loss of stability. Numerical experiments with periodic boundary conditions indicate that small perturbations of the trivial uniform flow at the initial time evolve into the emergence of roll wave solutions.

0904河川砂防及び海岸海洋
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