Nagaoka University of Technology Institutional Repository

国立大学法人長岡技術科学大学博士（工学）doctoral thesi

馬場, 将亮

1 
様式  
論 文 内 容 の 要 旨 
 
氏 名  馬場 将亮  
 
太陽光発電システムで基幹電源並みの発電コストを実現するためには，太陽電池の変換
効率を向上させる必要がある．そこで，高い変換効率を有する太陽電池が注目されている．
多接合太陽電池は，異なるバンドギャップを有する太陽電池を積層することにより，太陽
光スペクトルの広い波長範囲を利用し，高い変換効率を得る太陽電池である．多接合太陽
電池には一般的に III‒V 族化合物半導体が用いられる．しかし，III‒V 族多接合太陽電池は
結晶成長によって Ge や GaAs などの希少金属を用いた基板上に積層されるため高価である．
Si は安価で最も一般的な半導体材料であり，III‒V 族太陽電池の基板として理想的な代替
材料である．そこで，安価で高効率な太陽電池として III‒V/Si 太陽電池が注目されている．  
Si と III‒V 族化合物半導体との間には格子定数や熱膨張率の違いがあり，結晶成長を用
いて変換効率が高い III‒V/Si 太陽電池を製造することは困難である．スマートスタック技
術は金属ナノ粒子を用いた半導体接合技術であり，格子定数や熱膨張率に依存せず多接合
太陽電池を製作することが可能な技術である．また，高効率な多接合太陽電池を製造する
為には，多接合太陽電池の各発電層（サブセル）の光電流を一致させる電流整合が重要と
なる．面積電流整合は異なる発電面積を持つサブセルを用いて，各サブセルの面積を最適
化することで電流整合する技術である．GaAs/Si 太陽電池では，高価な GaAs 太陽電池の面
積を小さくすることで電流整合させることができるため，発電コストを下げつつ電流整合
を図ることができる．また，太陽電池モジュールの価格を下げる手法として集光技術があ
る．集光型太陽電池モジュールは安価なレンズと太陽電池から成り，太陽光を太陽電池面
に集光することによって，高価な太陽電池の面積を減らすことができる．  
本研究では，スマートスタック，面積電流整合，低倍集光を組み合わせた新規太陽電池
モジュール(SMAC モジュール : SMart stacking with Areal current matching and Concentration 
module)の設計手法の確立を目的として研究を行った．SMAC モジュールの主な利点は，設
計自由度と費用対効果の高さである．SMAC モジュールは，スマートスタック技術を用い
るため格子定数や熱膨張率に依存せず材料を選択することが可能である．さらに，面積電
流整合と低倍集光を組み合わせると，変換効率を維持しつつ高価な III‒V 族化合物半導体
の使用量を削減することができる．SMAC モジュールの問題点は，高い設計自由度を持つ
反面，設計パラメータが非常に多く設計が複雑になることである．そこで，本研究ではモ
デルベースの SMAC モジュールの設計手法確立を行った．  
本論文は「低倍集光型スマートスタック多接合太陽電池モジュールに関する研究」と題
し，以下の 7 章により構成される．  
第 1 章では，本研究の背景として太陽光発電システムの発電コストおよび各太陽電池材
料の変換効率に関して述べている．  
第 2 章では，本研究で提案する SMAC モジュールに関して説明している．まず，III‒V/Si
多接合太陽電池の製造方法について述べ，スマートスタック技術の利点を整理している．
2 
次に，面積電流整合技術と集光技術に関して説明し，それぞれの利点を述べている．最後
に，SMAC モジュールの利点の整理と問題点に関して述べている．  
第 3 章では，デバイス解析と屋内実験により SMAC モジュールの理論効率および費用対
効果を評価した結果について説明している．デバイス解析の結果，2 端子 GaAs/Si タンデ
ム太陽電池を用いた SMAC モジュールの変換効率は約 30%を達成することが示された．さ
らに，SMAC モジュールは高い単位トップセル面積あたりの発電量を示すことが明らかと
なった．デバイス解析の結果は室内実験の結果と比較され，その妥当性が示された．  
第 4 章では，透明導電性酸化物 (TCO: Transparent Conductive Oxide)膜を用いた，スマー
トスタック III‒V/Si タンデム太陽電池の接合抵抗低減手法に関して説明している．TCO 層
をボトムセル全面に積層した場合，大きな光学的損失が発生することが明らかとなった．
そこで，光学的損失を増加させることなく接合抵抗を減少させるための有効な解決策とし
て，TCO 層を部分的にボトムセル上に積層する手法が提案された． III‒V/Si タンデム太陽
電池に部分的に TCO を積層することによって，光学的損失を低く抑えつつ，直列抵抗が
20‒65 Ω∙cm2 から 11‒15 Ω∙cm2 に低減することが示された．  
第 5 章では，面積電流整合を用いたタンデム太陽電池に対する直列抵抗の影響に関して
説明している．デバイス解析により，面積電流整合を用いた太陽電池の重要な設計パラメ
ータである電流整合面積比は，接合抵抗の影響を受け変化することが示された．デバイス
解析の結果は室内実験の結果と比較され，その妥当性が示された．  
 第 6 章では，年間の日射分布をもとに電流不整合損失を最小にする新規レンズ設計手法
が提案された．レンズ形状は，面積電流整合を用いた 2 端子 GaAs/Si タンデム太陽電池に
対して最適化された．レンズ設計の結果，集光倍率 2 倍，東京南向き傾斜角 35º設置の条
件において年間エネルギー収集効率が 75.7%のレンズが設計された．さらに，試作した
SMAC モジュールを用いた屋外実験により，レンズ設計の妥当性および SMAC モジュール
の実現可能性が示された．  
 第 7 章では，本研究で得られた知見を整理している．  


Traditional Chinese

低倍集光型スマートスタック多接合太陽電池モジュールに関する研究

CARABEZ, ANDRADE EDUARDO

（様式４）  
別紙２  
 
論文審査の結果の要旨  
 
学位申請者 CARABEZ ANDRADE EDUARDO 
 
本論文は、”Event-related potential identification with convolutional neural networks in an 
auditory brain-computer interface (聴覚ブレインコンピュータインターフェイスにおける畳
み込みニューラルネットワークを用いた事象関連電位の同定) “と題し、聴覚刺激ブレイ
ンコンピュータインターフェイス(BCI:Brain-Computer Interface)における脳波事象関連電
位の同定精度向上を目的に畳み込みニューラルネットワークモデル（CNN:Convolutional 
Neural Networks)を提案し、その評価研究をまとめたものである。  
第 1 章と第 2 章では、ディープ・ラーニングや BCI など、本研究に関するいくつかの従来
の基本モデルを説明している。 また、提案モデルに関して説明している。 
第 3 章では、本研究で対象とした聴覚刺激による BCI の実験について詳細に説明し、提
案する CNN モデルの評価用の脳波計測データについて説明している。 
第 4 章では、提案された CNN の詳細を示している。 脳波電極配置を１次元に配置し、時
間次元を考慮した 2D モデルを提案している。さらに、脳波電極の 2 次元配置情報をモデ
ルに取り組み、時間次元を付加した 3D モデルを提案している。さらにモデルの詳細な検討
として、プーリング等のアルゴリズムについて議論している。 
第 5 章では、提案されたモデルを 3 章で説明した脳波データに適用した結果について議
論している。提案した 2D モデルと 3D モデルの評価とともに、従来の分類器（サポートベ
クターマシン SVM、フィッシャーの判別分析 FDA）との比較検討を行っている。CNN のレイ
ヤ数、プーリングプロセスなどのパラメータのいくつかについて検討し、その影響につい
て考察している。 
最後に、第 6 章では、得られた結果に基づいてまとめを行っている。 
脳波信号を使って外部機器を操作する BCI の研究においては、信号ノイズが大きく、加
算平均信号による信号分類が一般的であるが、情報伝達速度の観点からは、単試行脳計測
による高精度分類が重要である。本研究では、単試行脳計測による脳波分類精度向上を目
指して CNN を提案した。提案モデルを聴覚刺激による脳波の事象関連電位を識別し外部装
置を操作する聴覚 BCI に適用し、従来手法である SVM や FDA などの分類器よりも分類精度
が向上することを明らかにし、BCI における情報伝達速度向上の可能性を示した。 
よって、本論文は工学上及び工業上貢献するところが大きく、博士（工学）の学位論文
として十分な価値を有するものと認める。  
 
審査委員主査 和田 安弘 印  
 


English

Event-related potential identification with convolutional neural networks in an auditory brain-computer interface

RENGARAJ , BALAVENKATESH

Influence of Crystallographic Orientation on Friction and Fretting Fatigue Behavior of Ni-base Superalloys

PEREZ PEREZ, JUAN JESUS

Control and Circuit Technology of Power Semiconductor Devices for Pulsed Power Generation

本堂, 剛

1 
 
論 文 内 容 の 要 旨 
 
氏 名  本堂 剛  
 
セラミックスの特性は、物質固有の特性だけでなく焼結体の微構造に大きく影響され
る。高性能・高信頼性のセラミックス製品を製造するためには、性能と信頼性を低下させ
る原因となる粗大欠陥の発生と発達機構を理解し抑制する必要がある。本論文では、セラ
ミックスの成形体から焼結体までの内部構造をマイクロ X 線 CT を用いて 3 次元的に追
跡観察することで、焼結に伴う粗大欠陥の発生と発達機構の解明を試みた。はじめにマイ
クロ X 線 CT によるセラミックスの内部構造を 3 次元観察する時の精度と課題について
検討を行った。その後、観察サンプルとして、顆粒を使用したプレス成形体と調製したス
ラリーを石膏型に鋳込んで作製した鋳込み成形体を作製し、焼結に伴う内部構造を追跡観
察して構造変化と粗大欠陥の発生と発達過程を観察した。  
マイクロ X 線 CT による内部構造観察では、最低分解能よりも数倍大きな気孔であれ
ば観察が可能であることがわかった。また、成形体中の造構造由来の球形気孔の形状と分
布を 3 次元的に観察することができた。この結果から、マイクロ X 線 CT はセラミック
スに含まれる粗大欠陥の形状と分布を 3 次元的に観察することができる強力なツールで
あることが確認できた。また、非破壊観察によって、成形体の内部構造を熱処理前後で比
較することで同一の粗大欠陥の発達過程を追跡観察すること大きな利点である。  
アルミナ顆粒を使用して乾式プレス成形法によって成形体を作製し、その内部構造を成
形体から焼結体まで追跡観察を行った。その結果、焼結体の相対密度が 60%から 90%ま
での初期から中期焼結の間で粗大欠陥は発達が進行していることが明らかとなった。ま
た、成形体中に存在した顆粒表面の結合剤偏析層に由来する顆粒痕は疎なネットワーク構
造を形成し、顆粒間の 3 重点に存在する粗大欠陥は顆粒界面に沿った形状に発達して機
械的強度を低下させる原因ことが明らかとなった。成形体から粗大欠陥の発生と発達の原
因の一つである顆粒痕を取り除くことで、焼結体の機械的強度を向上させることに成功し
た。次に、粗大欠陥の発達機構をより詳細に解明するために顆粒成形体の初期・中期焼結
における構造変化の観察行った。  
初期焼結では、顆粒内部と顆粒界面の粗密差に由来して焼結の進行に差が生じていた。
それによって、顆粒内部粒子の焼結が先行したため顆粒界面の粗大欠陥は顆粒内粒子の焼
結による緻密化によって一次粒子間の細孔を吸収し粗大化が進行することが明らかとなっ
た。顆粒ごとにも焼結速度に違いがあり、焼結が先行する顆粒界面に存在する粗大欠陥は
顆粒界面の拡大によって粗大欠陥同士が合体して成長することが明らかとなった。  
中期焼結では、顆粒内粒子だけでなく顆粒界面も焼結が進行し始めており、時間と共に
顆粒界面の緻密化が進行していることが明らかとなった。顆粒内粒子の焼結も初期焼結よ
りも進行しており、中期焼結中の粗大欠陥の発達は初期焼結に比べて緩やかな傾向である
ことがわかった。  
 初期から中期焼結における粗大欠陥の発達機構を検討した。焼結初期では焼結によって
気孔周辺の粒子が変形して微細気孔が中心の気孔に合流することで成長することがわかっ
2 
た。焼結中期では粒界にある開気孔が緻密化にともなって粒界を移動し、粗大欠陥に取り
込まれることで粗大欠陥が成長することを明らかにできた。この結果は粗大欠陥を含まな
いセラミックスを作製するためには、成形体内の粒子の密度差をなくし焼結工程において
粒子を均一に緻密化させる必要があること示している。  
 本論文は「３次元観察による焼結中のアルミナセラミックスの粗大欠陥の発達過程の解
明」と題し、以下の 7 章より構成されている。  
 第 1 章は「序論」では、セラミックスの製造工程における現在の状態とその問題点、
それに対する新たなアプローチについてまとめ、本研究の目的を述べた。  
 第 2 章「マイクロ X 線コンピュータ断層撮影法を取り入れたセラミックス構造観察の
検討」では、マイクロ X 線 CT をセラミックスの構造観察へ用いる際の利点の問題点を
評価した。  
 第 3 章「アルミナ顆粒から作製した成形体の焼結に伴う構造変化と粗大欠陥の発達過
程の解明」では、アルミナ顆粒から作製した成形体の焼結に伴う内部構造を追跡観察し、
粗大欠陥の発生と発達過程を観察した。  
 第 4 章「粗大欠陥の発生と発達に及ぼす顆粒性状の影響」では、顆粒の結合剤偏析層
が焼結に伴う粗大欠陥の発生と発達に与える影響について観察し、焼結体の機械的強度へ
の影響を評価した。  
第 5 章「初期・中期焼結における粗大欠陥発達機構の解明」では、初期から中期焼結
における粗大欠陥の発生と発達過程を解明した。  
 第 6 章「鋳込み成形体中の異方性焼結の評価」では、鋳込み成形体の粒子充填に伴う
焼結の異方性を観察した。  
 第 7 章では総括し、結論を述べた。  


Japanese

３次元観察による焼結中のアルミナセラミックスの粗大欠陥の発達過程の解明

PIPATTHITIKORN, TAWISA

（様式４） 
別紙２ 
論文審査の結果の要旨 
 
学位申請者 PIPATTHITIKORN TAWISA 
 
本論文は、“A Composite Indicator for Assessing National Science, Technology and 
Innovation Performance: New Approach Focusing on Cross-Sector Linkages”（科
学技術イノベーションのパーフォーマンス評価指標：セクター間リンケージに焦点を
あてた新アプローチ）と題し， 7 章から構成されている．  
第 1 章“Introduction”は本研究の背景及び問題意識について述べる．科学技術イノベーションの
パーフォーマンス評価は多くの国にとって重要課題であり，欧州委員会をはじめ，多くの政府機関，
研究機関から指標が提案されてきたが，近年重要性を増しているセクター間あるいは国際間リンケー
ジについて適切な扱いがなされていないという現状の問題点が述べられている． 
第 2 章“Theoretical Framework”は，上記の課題を踏まえ，本論文の研究目的について，包括的
な科学技術イノベーションのパーフォーマンス評価にふさわしい測定可能な合成指標を提案し，その
有効性や具体的な利用方法を示すことであると述べる． 
第 3 章“Preliminary assessment”はナショナルイノベーションシステムの捉え方に関する既存
のモデルのレビューであり，経済協力開発機構（OECD）モデル，国連開発委員会（UNCTAD）モ
デルがレビューされる．また，グローバルレベル，地域レベル，国家レベルで科学技術イノベーショ
ン政策のレビューを行い，政策当局者が必要とする指標群の抽出を行っている． 
第 4 章“Developing a composite indicator”は本論文の提案する合成指標 STIPI を提案してお
り，これを構成する 5 領域 21 種類の指標の定義及びデータ源と，合成指標の具体的な計算方法が述
べられる． 
第 5 章“Verification of STIPI”は STIPI の有効性についてのべており，15 カ国を対象として，
既存の三つの合成指標及び OECD 等の国別評価報告書との比較検討を通じて，STIPI による評価
が，総合的な経済パーフォーマンス評価との一致度が最も高いことが示される． 
第 6 章“Utilization of STIPI”は STIPI の実際の適用事例について述べる．OECD 報告書でも，
また STIPI による評価でも最も高いパーフォーマンスを示す三カ国（フィンランド，シンガポー
ル，韓国）及びタイを例にとり，STIPI による数値的な評価とこれらの各国についての記述的な諸
分析が一致していることを示し，各国の政策当局者が STIPI を用いたパーフォーマンス評価を通じ
て有益な教訓の導出，自国の政策のモニタリングなどにあたって有益なツールとして活用できること
を示す． 
第 7 章“Discussion and conclusion”は本論文の提案する STIPI の適用にあたっての限界および
適用にあたっての留意点について述べるとともに，STIPI が今後ナショナルイノベーションシステ
ムの整備を図る諸国にとっても有益なツールであることが述べられる． 
よって、本論文は工学上及び工業上貢献するところが大きく、博士（工学）の学位論文として十
分な価値を有するものと認める。 
 
審査委員主査 湯 川  高 志  印 


A Composite Indicator for Assessing National Science, Technology and Innovation Performance: New Approach Focusing on Cross-Sector Linkages

中田, 大貴

1 
様式  
論 文 内 容 の 要 旨 
 
氏 名  中田 大貴  
 
近年、自動車や鉄道などの輸送機器の軽量化を目的として、構造用金属材料の中で最軽
量な Mg 合金の実用化に向けた研究開発が進む。輸送機器の構造部材として Mg 合金を使
うためには、押出し材や圧延材などの展伸材の利用は不可欠であるが、Mg 合金展伸材の
実用化は進んでいない。これは、Mg 合金展伸材の製造コストが高いため、また Mg 合金の
強度・延性が既存の Al 合金や鉄鋼材料に劣るためである。特に、Mg 合金の限界押出し可
能速度は、Al 合金のわずか 1/2～1/3 程度であるため、Al 合金押出し材の代替材料として
Mg 合金を用いると、製造コストは増大する。合金元素の希薄化は、Mg 合金の押出し性の
向上に有効である。例えば、合金元素を希薄化した Mg-1.0Al-0.25Zn-0.1Mn（wt.%）合金は、
高速押出し用 Al 合金と同等の出口速度 60m/min 以上で押出しても、表面割れのない美麗
な表面外観を示す。しかし、Al や Zn の添加量を希薄化すると、十分な固溶強化や析出強
化は得られないため、構造部材に必要な強度特性が不足する。Mg 合金でも、多量の Al や
Zn を含む押出し材は、0.2%耐力 300MPa 以上の十分な強度特性を示すが、Al や Zn の添加
量が多い場合、出口速度 0.1m/min 程度でしか押出すことはできない。すなわち、これまで
に開発された Mg 合金を用いている限り、安価な製造に必要な押出し性と、構造部材に必
要な強度特性の両方を満足させることはできない。この問題を解決するために、熱処理型
の Mg-Al-Ca-Mn 希薄合金に着目した。本合金は、希薄組成であることから、Al 合金と同
等の速度で押出すことができ、さらに、押出し加工後の時効処理によって、高強度も付与
できる可能性がある。そこで、本研究では、Mg-Al-Ca-Mn 希薄合金の高速押出し可否を検
討するとともに、本合金の高強度・高延性化を目的として、添加合金元素量の最適化を試
みた。  
 
第 1 章では、本研究の背景と Mg 合金の押出し材の現状と問題点、Mg 合金の高性能化に
向けて検討すべき組織因子とそれらに関する従来の研究内容を概説するとともに、本研究
の目的をまとめた。  
 
第 2 章では、高速押出し可能で、押出し加工後の時効処理のみで高強度化もできる可能
性の高い Mg-0.30Al-0.21Ca-0.47Mn（wt.%）合金を設計し、高速押出しの可否と時効硬化の
有無を調べた。開発合金は、6000 系 Al 合金と同等の出口速度 60m/min の高速押出し後で
も、表面割れのない美麗な押出し表面を示した。さらに、押出し加工後の時効処理のみで、
G.P.ゾーンが分散するため、0.2%引張耐力は 207MPa まで向上した。開発した
Mg-0.30Al-0.21Ca-0.47Mn（wt.%）合金の押出し性と強度特性は商用の Mg-3Al-1Zn（wt.%）
合金よりも高く、その押出し性は 6000 系 Al 合金に匹敵することから、本系希薄合金のさ
らなる高強度化と高延性化を実現できれば、Al 合金の代替材料として構造用部材へ展開で
きる可能性があることを示した。  
 
2 
第 3 章では、Mg-0.30Al-0.21Ca-0.47Mn（wt.%）希薄合金の高強度化・高延性化を目的と
して、低温での高速押出し加工を試みた。低温・高速押出し加工によって、本合金の結晶
粒径は 10m 程度まで微細化し、Mg 合金押出し材に特有の（0001）配向も弱化した。この
ため、本合金は、押出しままの状態でも、206MPa の 0.2%引張耐力と 27%の破断伸びを示
した。さらに、結晶粒径の微細化は、圧縮耐力と引張耐力の異方性も改善できることを示
した。  
 
第 4 章では、Mg-Al-Ca-Mn 希薄合金の高速押出し材の結晶粒微細化を目指して、Al-Mn
析出物の数密度に着目し、Mg-0.3Al-0.3Ca（wt.%）合金中の Mn 添加量の最適化を試みた。
Mn 添加量を増やすと、Al-Mn 析出物の数密度が増加するため、押出し材の結晶粒径は微
細化し、強度特性も向上した。ただし、Mn 添加量を増やすにつれて、G.P.ゾーンの形成に
必要な Al の溶質元素濃度は不足するため、Mn を多く含む合金では、押出し加工後に十分
な時効硬化が得られないことを明らかにした。  
 
第 5 章では、高い時効硬化能を持つ Mg-Al-Ca-Mn 希薄合金の開発を目指して、Al 添加
量の最適化を行った。また、比較的高濃度の Al を添加した場合でも、出口速度 20m/min
以上の押出し加工を達成するために、プロセス条件の改善も試みた。均質化処理後に炉冷
を施すと、押出し加工直前の微細 G.P.ゾーンの形成を抑制でき、かつ Mg 母相中への合金
元素の固溶量も低濃度化できるため、Mg-1.3Al-0.3Ca-0.4Mn（wt.%）合金でも、出口速度
24m/min で押出しできることを見出した。さらに、Mg-1.3Al-0.3Ca-0.4Mn（wt.%）合金は、
15HV の高い時効硬化能を示し、時効処理後でも延性が劣化しないため、既存の 6N01Al
合金よりも高い 287MPa の 0.2%引張耐力と 20%の破断伸びを示すことがわかった。  
 
第 6 章では、出口速度 60m/min での押出し加工が可能で、高強度・高延性も示す
Mg-Al-Ca-Mn 希薄合金を開発するため、Ca と Mn 添加量に着目した。Ca 添加量をわずか
0.1wt.%程度減らすだけで、Al を 1.1wt.%含む Mg-Al-Ca-Mn 希薄合金でも、出口速度 60m/min
の押出し加工が可能となることを明らかにした。Mg-1.1Al-0.24Ca（wt.%）合金への Mn 添
加量を増やすと、Mn 添加量の増加に伴い結晶粒は微細化した。さらに、Mg-1.1Al-0.24Ca
（wt.%）合金の場合には、Mn 添加量が増えても、時効処理によって G.P.ゾーンを形成す
る。その結果、高い濃度の Mn を含む Mg-1.1Al-0.24Ca-1.0Mn（wt.%）合金は、時効処理後、
既存の 6N01Al 合金と同等の 263MPa の 0.2%引張耐力と 23%の破断伸びを示した。また、
本合金の時効処理材にて、197MPa の 0.2%圧縮耐力と 0.74 の 0.2%圧縮耐力 /0.2%引張耐力
の比を得ることもできた。  
 
第 7 章では、本論文で得た結果を要約し、総括とした。  
 


ナノ・ミクロ組織制御による高速押出し可能な高強度・高延性Mg-Al-Ca-Mn合金の開発

阿部, 晃大

電解コンデンサレスインバータの直流リンク電流直接制御による電源高調波抑制に関する研究

KITTIDECHA, CHAIWAT

Applications of Kansei Engineering for Shape Design and Material Selection of Products

BADARCH, AYURZANA

1 
様式  
論 文 内 容 の 要 旨 
 
氏 名  AYURZANA BADARCH 
 
The sediment and ice can be considered solid substances in fluid flows and are active 
research fields having rich contents to be studied. In order to enhance numerical 
modeling knowledges for such problems, this thesis compiles the research works for 
the macro and mesoscopic numerical modeling for the sediment and ice problem in two 
parts, respectively. Before the parts, Chapter 1 outlines an introduction including 
research objectives, motivations, descriptions of fluid flows in different scales and an 
outline for the thesis. The descriptions of fluid flows provide a brief introduction to 
macro and mesoscopic modeling. 
Part 1 of this thesis comprises Chapter 2 to 4 devoted to macroscopic numerical 
modeling for sediment transports at an estuary the Ohkouzu diversion channel of the 
Shinano River to the Sea of Japan. In Chapter 2, the numerical models for an estuarine 
flow and sediment transports are developed as a numerical framework in the 2 and 3D 
space. The contributions in this chapter are a representative particle tracking method  
(PTM) with the simple model for a flocculation process motivated on the traditional 
solution for the sediment transport with the advection-diffusion equation (ADE). In 
Chapter 3, the detailed numerical techniques for the macroscopic models can be found. 
In Chapter 4, discussions of a lab-scale lock-exchange problem for the validation of the 
newly proposed PTM against the ADE are followed by the application of the numerical 
models for the sediment transport problem in the estuary. A proposed simple 
flocculation model is enriched by the experimental parameters. The results with 
numerical modeling give more understanding of the interaction between sediment 
transports and estuarine flow dynamics including the density current. In particular, 
the PTM yields the comprehensive descriptions about particle distribution in space 
and time depending on the estuary flow and sediment particle sizes. The overall 
results confirmed the in-situ observations and measurements. 
Part 2 documents mesoscopic modeling, precisely lattice Boltzmann modeling, for ic e 
problems in an open channel flow in Chapter 5 to 9. Chapter 5 describes lattice 
Boltzmann models for free surface flows, scalar (heat) transports, liquid -solid phase 
transitions and fluid–solid interactions in order to comport the ice in open channel 
flows. Many of them have been coupled first time. Chapter 6 presents the 
implementations for the described models with the pseudo-potential codes containing 
new procedures, e.g., the coupling of free surface-liquid solid phase 
transition-immersed boundary algorithms. After Chapter 7 that gives extensive 
validations for each particular phenomenon hidden in ice in flows, the numerical 
models are applied to the fixed or freely moving ice in open channel flows. A 
2 
substantial application in an outlet channel of a small  hydropower plant results the 
description of the open water forming mechanism and shows a potential of the models 
for the ice problem in open channel flows as well as for the complex physics. Finally, 
the improvement of the numerical code to a parallel computation is slightly discussed 
in Chapter 9. 
Nevertheless, each part is followed by a summary, the general conclusion and future 
recommendations are detailed in Chapter 10.  
 
 


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