Water tank experiments were conducted to investigate plume rise and diffusion of gases discharged from stacks under calm conditions with field wind velocity less than 0.4m/s with stable thermal stratification.
The plume rise phenomenon was illuminated LASER light sheet, and recorded video camera. The brightness of an image was transformed into concentration of a tracer liquid, by the equipment of digital image analysis.
Plume rise height and plume lengths were measured from the concentration distribution of plume.

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複雑地形での連続点源からのガス拡散濃度予測には, 拡散風洞実験が極めて有用であることが知られているが実験に際し, 拡散相似則として, 濃度平均時間に対応した風向変動幅σ_Aの風洞内再現が必要である。このため, 風洞測定室内のターソテーブルを用いた新しい再現法 (重合法) をここでは開発し, 通常用いられている乱流促進法, 加振法では, 再現が無理とされていた大きい風向変動幅を再現できることを示す。

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A numerical simulation model was developed to predict the instantaneous concentration fluctuation of a tracer gas plume and applied to stack gas diffusion on a flat plate. The flow field, including an instantaneous velocity component, was predicted using the LES (large eddy simulation) method. Then, concentration was calculated using the turbulence closure method, in which the LES is expanded for concentration, and the puff method, in which small pieces of the tracer gas are divided and combined according to the calculation mesh sizes. In order to avoid numerical viscous effects, the puff method was applied in the regions near to the tracer gas release point. Numerical calculation results for concentration fluctuation were compared with those obtained in a wind tunnel experiment, and good agreement was obtained for high concentrations of probability distribution functions.

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Wind tunnel experiments were conducted to study the concentration fluctuation within a tracer gas plume considering the relation between plume spreads in the atmosphere. Tracer gas was released from a continuous elevated point source located in a simulated atmospheric boundary layer, and the concentration fluctuation was measured using fast-response flame ionization detectors. The mean square values of concentration fluctuation and the dissipation rate of concentration fluctuation showed a Gaussian in the same way as mean concentration, and the ratio of root mean square values of concentration fluatuation to mean values showed the same profiles at various windward distances from the release point of the tracer gas. These profiles indicate the similarity of concentration fluctuation within the plume.

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プラント等での可燃性ガスや毒性ガスの漏洩事故に対する安全対策では, 漏洩ガスの平均濃度だけでなく瞬間的に生じる濃度変動を含めて評価することが重要である. 本研究では, 気流に対し前面が直角に置かれた単独の建物後流域におけるガス拡散挙動や最大濃度を評価するための風洞実験を行った. 濃度測定用のトレーサガスは建物屋根面から放出し, 高応答性の濃度計を用いて濃度変動を測定した. その結果, 建物風下近傍ではプルームが逆流域に取り込まれ, プルーム内の濃度が均一化されることが確認された. また, 瞬間濃度の確率分布から求めた最大濃度は, 濃度変動強度の大きさに応じて対数正規あるいは指数分布による推定値と良く一致し, 後流域の最大濃度は平均濃度の2～3倍程度となることを明らかにした.

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地熱発電所の環境アセスメントにて実施される硫化水素の大気拡散予測評価の期間短縮および費用削減を目的として、従来行われている風洞実験の代替として用いることのできる3次元数値モデルを開発した。

地熱発電所の冷却塔から放出される硫化水素の大気拡散評価を行うためには、冷却塔からの排気上昇過程、周辺建屋による拡散への影響、周囲の地形による拡散への影響を的確に再現できる必要がある。そのため、これらの現象を高精度に再現可能と期待されるラージ・エディ・シミュレーション (LES) をベースとした数値モデル構築を行い、さらに、LESに適した格子生成プログラムを開発した。

また、開発した数値モデルの予測精度検証のため、実際の地熱発電所を想定した風洞実験を行った。風洞実験との比較の結果、開発した数値モデルは風洞実験で得られた地表濃度の傾向を精度よくとらえられており、環境アセスメントで重要となる最大着地濃度に関しては、すべてのケースで風洞実験結果の0.5～2.0倍以内に収まる結果となった。これらの結果から、開発した数値モデルは地熱発電所環境アセスメントの硫化水素拡散予測に十分適用可能であると結論づけられた。

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既存の従来型風洞による地形上での長時間平均濃度の予測は, メアンダー効果の風洞内再現が難しく通常は困難である。そこで, 本報では従来の風洞を用いた数分から数十分平均に対応する実験結果から長時間平均の最大着地濃度を推定する方法を提案する。
また, 提案した推定方法の信頼性を検証するために4種類の地形模型を用いて平均化時間に相応の風向変動幅σ_Aを変化させた風洞実験を実施した。その際, 重合法風洞実験により風向変動幅σ_Aを0°, 5°, 10°, 20° と変化させた。このうち, σ_A=5°, 10°, 20° において計測された最大着地濃度をそれよりも小さなσ_A=0°, 5°, 10°の風洞実験データを用いて推定し, 実際に計測された最大着地濃度と比較した。その結果, 推定された最大着地濃度は風洞実験で計測された最大着地濃度と良い一致が見られ, 本推定方法の有用性が確認できた。

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我が国の地熱発電所は山間地に建設されることが多く、冷却塔からの排気プルームはその上昇過程において周囲の建屋や地形の影響を受けて拡散する。そのため、排気拡散の適切な予測には排気上昇過程の考慮が不可欠である。本研究では、風洞実験により地形影響と排気の上昇過程を同時に考慮し、その拡散特性について検討を行った。実験には、単純な2次元の尾根地形を使用し、その風上および風下の麓に煙源を配置した。また、地表面粗度の影響を検討するため、滑面と粗面となる2パターンの模型表面粗度を使用した。尾根地形風下の剥離域の中から排気を行う場合、循環流への巻き込みによって、煙源極近傍に最大着地濃度が出現するものの、地形による水平方向拡散幅の増大と、剥離に伴う風速低下によって初期上昇量が増大することで地表濃度の上昇はある程度抑えられる。模型表面の粗度を変化させた場合、尾根地形風下の剥離の特性などは大きく変化する。拡散場、特に最大着地濃度が剥離の影響を受けるような条件では、粗度により最大着地濃度が増減し、今回実施した実験条件の範囲において、粗面の最大着地濃度は、風上煙源の条件で滑面の約0.8倍、風下煙源の条件で約1.5倍となった。

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環境影響評価においては, 複雑地形は予想外の高濃度を惹起することがあるので, 複雑地形における大気拡散 (ADCOT) の予測は重要課題の一つとなっている。この予測は, 通常, 風洞 (模型) 実験や数値計算のシミュレーションで実施されており, ここでは, 風洞実験を中心にADCOT予測技術の現況と展望についてまとめた。

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複雑地形を対象に拡散評価を行うガウス型流跡モデルを開発した。本モデルの構成を以下に示す。
(1) 煙の流跡の評価を著者らが開発した複雑地形上の風の場を求めるポテンシャル流モデル又は擬似ポテソシャル流モデルにより行う。これは, これらのモデルは格子点だけでなく任意の点の風ベクトルも求めることができ, 流跡の評価が非常に容易にできるためである。
(2) 濃度分布は流跡に沿ったガウスプルーム式により推定する。
(3) 拡散パラメータとして用いる煙の拡がり幅に地形効果を考慮する。地形効果を考慮した煙の拡がり幅の推定は風洞実験の結果をもとに行う。
本モデルの妥当性を検討するため野外での模型拡散実験を行った。計算結果は実験で観測された拡散の特徴をよく表わしている。また, 本モデルの計算結果を差分法による数値モデルの計算結果と比較した。両モデルの計算結果はよく一致した。本モデルは非常に短時間で拡散計算ができ, 必要とする気象データも少なくて済むため, 実用的な拡散評緬手法といえる。したがって, ルーチソ的に得られるデータをもとに迅速に拡散評価を行う必要のある大気環境監視システム等へ適用可能である。

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An assessment model on atmospheric diffusion and radiation dose for stack gas from nuclear power plants under calm conditions with wind velocity less than 0.5m/s is proposed. Annual meteorological observation data were obtained at a nuclear fuel cycle facility in Aomori Prefecture, and were used for condition set up of water tank experiments and dose calculations. Water tank experiments were conducted to investigate plume rise and diffusion processes under calm conditions with stable thermal stratification.
Plume rise and diffusion processes are divided into the jet region and the diffusion region in the model, and the concentration of plume in each region is given by a simple formula. The absorbed dose rate in air was calculated using the proposed model and the safety analysis model. The comparison of the calculation results shows that the safety analysis model gives much higher estimates than the proposed model.

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乱れの大きな都市キャノピー内での建物近傍の拡散場を明らかにすることを目的とし, 都市郊外にて立方体モデル建物を用いた野外拡散実験を行った。
都市キャノピー内の流れ場は非常に大きな乱れが存在し, 屋根面上の濃度分布は, 屋根面全体に広く平均的に拡散しており, 乱れの小さな風洞実験で得られたものとは異なっている。屋上面の瞬間濃度と速度変動との関係を明らかにするために, 高応答性の濃度分析計と2台の超音波風速計とを用いて計測を行った。その結果, 屋上の逆流と上流の組織運動の間には強い相関がみられ, また、屋上中央から排出されたガスは, 屋根面上の逆流によって上流側に輸送されていることが明らかとなった。これらは, 上流の組織的運動が屋根面上の拡散場に大きな影響をあたえていることを示唆する。

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ドップラーライダを火力発電所の環境アセスメントへ適用するにあたり、確認すべきことが2点挙げられる。1点目は風向・風速の計測精度、2点目は年間を通して安定的にデータを取得することができるか（年間の欠測率）の確認である。ドップラーライダの計測精度に関する研究事例はこれまでに多くあり、その精度は確認されているが、機種間の計測精度の違いについての検討は十分ではなかった。本研究では、地形の起伏が大きい場合および大規模な建物が近くにある条件で異なる仕様のドップラーライダによる同時観測を実施し、レーザの発射角度等の仕様が異なる機種では異なる計測結果となることを明らかにした。また、周辺地形や気象条件の異なる4地点で長期連続観測を実施した結果、ドップラーライダの欠測率には地域差が明確にあることや機種による差があることを示した。ドップラーライダの年間欠測率および連続する30日間の欠測率の最大値は、機種や観測する地域により差があるものの、一部のワイパー不良等を除けば、発電用原子炉施設の安全性に関する気象指針で示される基準を下回り、ドップラーライダは年間を通した長期連続観測に対し十分適用できると判断される。

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This paper describes the prediction method of concentrations around buildings by wind tunnel simulation. The predicted concentrations are compared with the field measurement data under neutral atmospheric condition, and the prediction accuracy is investigated. Wind tunnel experiments for the concentrations around models are carried out for several wind directions. The predicted concentrations are derived by the superposition of the weighted concentrations which are based on the probability distribution of wind direction. Two probability distributions, which are normal and the observed distribution in the field experiments, are applied for this prediction. Results indicate that the prediction accuracy is improved 15 % in comparison with the ordinary method without considering the wind direction distribution. Consequently, the concentration difference errors are reduced to 40 %.

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ここでは, 著者が学術研究および規制用を目標として, 長年に渡って取り組んだ大気拡散推定に関する研究開発の概要を紹介する。この研究開発においては, 大気境界層理論を適用するとともに, 大気拡散に関する実測データを取得するために多くの野外拡散実験を実施した。主な結果は次の通りである。(1) 気象学の分野の接地境界層においてほぼ確立されているモニン・オブコフの相似則を利用して, PG拡散幅に対応するモニン・オブコフの長さの値を準理論的に導出した。それによって, 大気拡散の研究に大気境界層の方程式を利用する道を拓いた。(2) 海上の境界層の特性により修正したPGT拡散幅を用いる海上低所源用正規型プルームモデルを開発し, 米国および我が国における海上拡散実験データによって検証した。(3) 夜間, 風速が2m/s未満の場合の大気拡散を, 地上放出条件の大気拡散実験の実施によって研究した。その結果, 上記のような弱風時において, 我が国の原子力安全委員会の気象指針に採用されている大気拡散推定法の妥当性が実証された。(4) TOKAI82, 83大気拡散実験のデータによって, 熱的内部境界層 (TIBL) によるフユーミゲーション時の拡散モデルを研究した。その結果0米国原子力規制委員会の規制指針1.145に記載されたフユーミゲーションモデルが我が国においても短時間高濃度評価に使えるモデルの候補の一つであることが判明した。(5) 海外において, 長距離, 長時間, マルチの大気拡散実験に使用されているパーフルオロカーボン・エアートレーサー (PFT) を研究した。その際, SF₆とPFTを同一地点から同時放出する小規模の野外実験を実施し, PFTが我が国の野外実験においても十分使用できることを確認した。

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