例題9: ダム崩壊（VOF 自由表面・Martin & Moyce 1952 照合）
自由表面流れの定番ベンチマークダム崩壊（水柱崩壊）を VOF（interFoam）で 解析し、Martin & Moyce (1952) の実験データとサージフロント（水の先端）の 進行速度を照合します。タンク・スロッシング・洪水氾濫など、界面が大きく 変形する問題の出発点になる例題です。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 解析タイプ | VOF（2 相流 / 自由表面）・非定常 |
| ソルバ | interFoam（Co 数ベースの可変時間刻み） |
| 乱流モデル | Laminar（小型水柱の実験照合の標準） |
| ジオメトリ | 上面開放タンク（内寸 350×30×200 mm・側面と底面が壁、上面が大気開放） |
| 初期水柱 | 幅 a = 57.15 mm（2.25 in）× 高さ 2a = 114.3 mm（Martin & Moyce n²=2） |
| 流体 | 水 / 空気（既定物性・σ = 0.07 N/m） |
| メッシュ | snappyHexMesh・2.5 mm 立方（水柱幅に 23 セル） |
| 実行規模（目安） | 4 コア・約 6 分（実時間 0.25 s）・1 クレジット |
所要時間は目安です。実行環境・メッシュ規模・混雑状況により変動します。
この例題で学べること
- VOF 解析の設定 — 相の物性・重力・初期水域の与え方
- 水柱ボックスによる初期化 — setFields の「水柱ボックス」モードで 任意の直方体水域を置く（水平水面モードとの使い分け）
- 実験データとの照合 — 無次元化（T = t√(2g/a), Z = x/a）でサージ フロントの進行を実験と比較する
実行手順
- ex09_dam_break.ofb.zip をダウンロードする
- StreamWright サイドバーの 📂 Load Project (.ofb.zip) にドラッグ＆ドロップする
- 各タブで設定を眺める（変更は不要です）
- 🎯 解析タイプ: VOF（2 相流 / 自由表面）
- 4️⃣ Physics: 水/空気の物性と「💧 初期水位」の水柱ボックス （x ≤ 57.15 mm・z ≤ 114.3 mm）
- 1️⃣ Patch Setup: 上面
atmosphereが outlet（大気開放）、 y 両側面は slip（2D 近似）、底面・端壁は wall - 6️⃣ Run タブ → 🚀 Generate & Run （blockMesh → snappyHexMesh → setFields → interFoam の順で自動実行）
期待される結果
実行が正常に終われば、以下とほぼ同じ数値になります（見本: sample_report.html）。
| 量 | 値 | 確認場所 |
|---|---|---|
| 前縁速度勾配 dZ/dT（Z∈[1.5, 3.5]） | 1.22（実験 1.29・−5.5%） | 軌跡データ（下記の照合手順） |
| 前縁の可視化 | 水柱が崩れ底面を走る α コンター | Post Processor タブ |
| 品質チェック | 合格（PASSED） | 3 段階総合判定 |
水柱の崩壊シーケンス（α = 水の体積率・y 中央断面）:
サージフロント位置の時間発展（実験との重ね図）:
自由表面の可視化（Post Processor タブ・2D 断面の α コンター）:
実験データとの照合（この解析は正しいか？）
Martin & Moyce (1952) は水柱（幅 a・高さ 2a）の崩壊を高速度撮影し、 サージフロント位置を無次元量 T = t√(2g/a)・Z = x/a で報告しました （Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 244, 312-324, doi:10.1098/rsta.1952.0006）。
- 照合には時間原点シフトに不変な「線形域（Z∈[1.5, 3.5]）の前縁速度勾配 dZ/dT」を使います（実験の時間原点にはゲート開放起因の不確かさがあり、 文献では T を +0.17 程度シフトして重ねるのが慣用です）
- 実験データの同区間勾配: dZ/dT = 1.29
- 照合帯域: ±10%
照合手順（リポジトリの解析スクリプトで再現可能。底面近傍サンプルラインの α = 0.5 交点から前縁を抽出します）:
python scripts/analyze_dam_break.py Simulation_Run --plot front.png
解析結果は dZ/dT = 1.22（実験比 −5.5%） で帯域内に収まります。
💡 側壁を slip にしているのは実験との比較を 2D 相当にするためです。 noSlip に変えると幅 30 mm の側壁摩擦で前縁が ~7% 減速します。 逆に水柱を高く（n² を大きく）すると前縁は速くなります。
自分の問題に応用するには
- 水平水面モード: 船体・タンクの静水面は「水平水位 z」モードで 初期化します（本例題の水柱ボックスと切替可能）
- 時間刻み: interFoam は maxCo/maxAlphaCo ベースの可変時間刻みです。 界面が壊れる場合は maxCo を下げてください
- 波の反射: 造波・曳航など流入がある問題では Wave Damping Zone （出口スポンジ層）を有効にすると反射を抑えられます
- 自分のジオメトリで解くには: 容器の内側の空間をボリューム化する手順（水と空気を分ける必要はありません）は ジオメトリ準備ガイド 第1章（内部流れ） にまとめています。CAD ソフト別の操作は 第7章 を参照してください
ジオメトリ: fixtures/vof/dam_break/TANK_FLUID.step（本例題用に新設）。 検証: 2026-07-22 実機 E2E で dZ/dT = 1.217 / 実験 1.288（−5.5%）・PASSED を確認。 実験値の出典は Martin & Moyce 1952（デジタイズ値は Lethe 例題収載データ）