イノベーションの流れ

ジョージア工科大学の水力学研究室は、さまざまな STEM 分野にわたる環境流体力学を研究しています

緩んだ塩ビパイプの連結部分から細い水流が噴出し、床にスプレーされます。 "それは大丈夫ですか？" 誰かが小さな破裂を指して尋ねた。

土木環境工学部（CEE）の上級施設マネージャーであるアンディ・ユーデル氏は、流出物を見て肩をすくめた。 「いいえ。でも大丈夫です。水力実験室の床には水が溜まっているはずです。」

ジェシー W. メイソン ビルの側面に位置する CEE の水力学研究所に足を踏み入れると、その 14,000 平方フィートという広大な空間に驚かされます。 広々とした天井は、交差する青いパイプのネットワークを構成しています。 左側には巨大なタンクがあり、その周りにはさまざまな教育用具が置かれ、壁には古い土木工学の建物にある以前の研究室スペースから運ばれた歴史的な骨董品や古い工芸品が展示されています。 右側には、部屋がワイヤー フェンスで仕切られており、ホワイトボード、作業台、幅 14 フィートの水路のためのエリアが作られています。

慎重に組み立てられた研究機器と作業台の下には 20,000 ガロンの水があり、そのほとんどは研究室全体にわたる排水溜めに溜まっています。 水は頭上のパイプを通って実験室に流れ込み、研究室の内部構造の上にそびえ立つ青いタンクに接続された地下の貯蔵所に捨てられます。 コンクリート床のプラットフォームと鋼板のラインが実験室を水から隔てています。

ユーデルは 1998 年以来、キャンパス周辺にある他の 7 つのスペースに加えて、水力学研究室を維持しています。

「ジョージア工科大学水力学研究所は、ここで長年にわたって行われてきた画期的な歴史的研究で有名です」とユーデル氏は語った。 「同様の施設は全国にいくつかありますが、この種の施設の中で最も設備の整った施設の 1 つです。」

メイソン ビルは、CEE がフレッシュマン ヒルを見下ろす旧土木ビルにあった以前の施設を超えた後、1968 年に建設されました。 ジョージア工科大学は、環境流体力学の研究専用の研究室スペースを必要としていたため、水力学研究室が建設されました。 この研究室は主に環境問題に焦点を当てていますが、学際的なスペースでもあります。 機械工学、生物学、その他キャンパス内の多くの学校から学生と教員が学びに来て、施設の多面的な研究に参加します。

学生や教員が研究室に入ると最初に通過するものの 1 つは、人工物で埋め尽くされた壁です。 左側には、多くのダイヤルとボタンが付いた古い緑色のマルチメーターがあります。 垂直フランシス水車の側面断面図が 1 つの棚に置かれています。 ジェット衝突に焦点を当てた実験に使用されました。

すべての工芸品は、旧土木工学棟の研究室コーディネーターの 1 人が作った、オリジナルのマホガニー製の展示棚に収められています。 この研究所は、技術成果の顕著な展示により、ジョージア工科大学の研究と革新の豊かな歴史の中で自らを位置づけています。

地下排水溜めは研究室の周囲に広がり、水路から出た水を集めます。

Hydraulics Lab の最大の特徴は、安定した水の供給です。 流体力学は主に液体と気体の流れに焦点を当てており、水の流れを使用してモデル化できます。 この研究所の目標は、水をできるだけ効率的に使用およびリサイクルすることで廃棄物を制限することです。

実験に使用する水は頭上のタンクから汲み上げられ、各実験室とパイプでつながっています。 タンクが作動すると、水の流量は毎分最大 9,000 ガロン (一度に 3,000 個のトイレが流れるのと同じ) に達する可能性があり、この施設内で助成金による環境研究に使用される一部の大河川モデルにとって特に役立つ機能です。

水は装置を通って流れた後、サンプにリサイクルされて戻されます。 最終的にはポンプからタンクに送られ、再び使用されます。

7 つの水路 (深くて狭い水路) は、研究室の主要な機器です。 これらは金属と透明なプラスチックの窓ガラスを使用して構築されており、装置内を流れる水の動きを示します。 実験に応じて、そのサイズは長さ15フィートから80フィートまでの範囲です。

たとえば、ある中規模の水路は現在、岩と堆積物で満たされています。 これは大規模なモデル実験の一部に使用され、南フロリダ水管理地区の放水路構造のモデルが保管されています。 放水路は、近くの川底に流れ込む水の放出を制御するように設計されました。

しかし、計画に欠陥があったため、学区は余水吐の設計を再評価するために中東欧ヨーロッパ名誉教授のテリー・スターム氏に研究助成金を提供した。 スターム氏の研究室は過去のデータに基づいてモデルを構築し、水路を使用して地区が直面している問題を再現しました。 さまざまな源流と放水の条件でシミュレーションを実行した後、ジョージア工科大学のチームは、水のあふれの問題を解決するための潜在的な解決策を学区に提供しました。

Sturm の古いプロジェクトのさらにいくつかが今でも水力学研究所の周りに設立されています。 研究室最大の水路（幅 14 フィート、長さ 80 フィート）には、教授の研究で使用されたメーコン橋現場モデルの残骸が今も保管されています。

オーバーヘッドタンクには 20,000 ガロンの水を貯蔵でき、毎分 9,000 ガロンの最大速度で水を供給します。

メーコン橋の現場模型の残骸を含む実験用水路

この水路には、南フロリダ水管理地区の放水路構造のモデルが含まれています

現在の水力学研究室の研究の多くは、広大な施設の右側、さまざまな研究室グループを区切る金網の廊下の後ろで行われています。 そのうちの 1 つは Chris Lai 助教授のチームに属しています。 彼は氷河の氷が溶ける熱流体力学を研究しています。 ライ氏によると、過去20年間に観測された海面上昇の約60％は極地の氷の融解によるものだという。 将来の地球規模のレベルを正確に予測するために、研究室はまず、現在の極地環境をシミュレートし、融解速度を測定することによって、淡水の氷河氷が融解する際に塩分を含んだ海水と相互作用する独特の方法を理解することを目指している。

研究室の設備には、模擬氷河氷を作成するための大型冷凍庫、実験を行うための透明な保持容器、および融解水の流速、つまり融解速度を測定するために使用される高速パルスレーザーを備えた部屋が含まれています。粒子画像流速測定。 この空間は白いアルミニウム パネルの壁で囲まれており、ドライイレース マーカーの計算で上から下まで覆われており、主に実験の詳細に関連しています。

ライ氏の研究室では、中規模の水路の 1 つを使用して、森林火災のシナリオを予測する用途で森林を通る風の流れをシミュレートしています。 これは、風速と葉の密度の違いに基づいて火災がどの程度早く広がるかを判断するのに役立ちます。 森林環境を正確にモデル化するために、チームは枝として機能し、樹冠をシミュレートする 3 本分岐のフラクタル枝を含む 3D 樹木モデルをプリントしました。

空気と水は同じように動くため、モデル森林を通る水の流れを測定することで、大規模火災時の実際の森林を通る空気の動きを正確に予測できます。 研究チームは粒子画像流速測定を使用して、森林のさまざまな領域で流体の速度を測定します。 ライ氏は、森を不変の 1 つの全体として見るのではなく、森のさまざまな部分を通る流れを研究することの重要性を強調します。

「私たちの実験では、森林の最上層、樹冠内の流れを観察し、それを地上レベルの流れと比較します」とライ氏は語った。 「火災が全体にどれだけ早く広がるか、森林の樹冠にどの程度の二酸化炭素が放出されるかなど、より大きな問題に進む前に、これらの微妙な違いを調査する必要があります。」

ライの研究室は森林火災のシミュレーションに水路を使用しています

研究室で使用される研究機器は水路とレーザーだけではありません。 CEE スクールのドン・ウェブスター議長の研究室の大学院研究助手であるアンジェリカ・コナーは、3D イメージング設定を使用して、海水の中を自由に泳ぐ動物プランクトンの周囲の動きと流れの場を観察しています。

コナーさんは、水力学研究室のメインスペースから離れた温度調節された小さな部屋を使用して、画像装置を作成しています。カメラはさまざまな角度で吊り下げられ、すべて動物プランクトンが入った小さな六角形のタンクに向けられています。 このセットアップでは、さまざまな角度から一連の 2D 画像を取得し、Connor が一定期間にわたる水の粒子と動物プランクトンの 3D の動きを計算できるようにします。 彼女はまた、粒子画像流速測定に高出力レーザーを使用しており、動物プランクトンの遊泳速度やその周囲に形成される流れ場などのデータを視覚化するグラフを作成することもできます。

コナーさんは最近、観察水槽の周囲に設置された磁場を利用して、水中生物と同じように動くことができる小型の動物プランクトンロボットの実験を行っている。 コナーさんはジョージ W. ウッドラフ機械工学大学院で学んでいますが、機械についての理解を活かして 3D イメージング セットアップとロボット動物プランクトンを作成しました。

水力学研究室の左端にあるウェブスターの主な研究室では、ベルグ渦を使用した 2D 動物プランクトンの流れ場とカイアシ類と乱流の相互作用も研究しています。

コナーの3Dカメラ装置

研究室は研究だけに使われるわけではありません。 施設の左側の大部分は、CEE の Donovan Undergraduate Teaching Lab による学部教育に焦点を当てています。 上級レベルの CEE クラスには、レッドオイルや油圧ジャンプの実験などのデモンストレーションを通じて、流体の流れのさまざまな側面についての指導が含まれます。 学生は、ベンチュリメーターやオリフィスメーターなどのさまざまな計量デバイスを使用して流量を測定できます。

「研究室では、知識を向上させるだけでなく、指導と指導技術を向上させるために多くの研究が行われています」とヘルマン・フリッツ教授は語った。 津波やその他の自然災害に関する彼の研究は、主にオレゴン州立大学の自然災害工学研究インフラストラクチャ (NHERI) 施設の津波波盆地で行われていますが、油圧実験室で必須の実験コンポーネントである CEE 4200、油圧工学も教えています。 。

学部生は CEE 4200 などの授業で水力学実験室スペースについて学びます

フリッツ氏は、CEE のラボのコースワークに新しいテクノロジーを組み込むことに取り組んでいます。 最近、彼は水圧ジャンプ実験のデモンストレーションで使用される測定技術を、より古典的な方法からより新しい低コストバージョンの粒子画像流速測定に更新しました。 フリッツ氏はレーザーを使用する代わりに、光ファイバーのライトシートを使用して水中の泡を照射し、水路のさまざまな位置での流速を取得します。

「フィールドワークを行う際には、古典的な測定方法を知っておく必要がありますが、学生にとっては、通常は行うことのできない、空間的および時間的な、または分解された速度の水流測定を垣間見ることができるのは有益です」とフリッツ氏は述べました。 。

ライ氏とユーデル氏による浅瀬盆地アップグレードの計算