タワー状の構造物に発生する特異な空力振動現象のメカニズム

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09750563
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 北川 徹哉 日本大学, 理工学部, 助手 (10287584)
• Keywords: 高風速渦励振 / 円柱塔状構造物 / 風洞実験 / 風圧実験模型 / 後流風速変動測定 / POD解析

Research Abstract

塔状円柱構造物では渦励振の発現風速よりも数倍高い風速域において「高風速渦励振」が発現する。本研究においては高風速渦励振の励振源を調べるために,塔状円柱の風圧実験模型を作成し風洞実験を行った。まず,スパン方向に1列に圧力タップを配置した模型を用いて実験し,円柱全体に作用する風圧の分布特性を調べた。その結果,自由端近傍に振動数の低い圧力変動成分が存在することが明らかとなった。そこで自由端近傍の圧力変動を緻密に調べるために,模型頂部近傍に圧力タップを集中させた模型を用いて実験を行った。すると,カルマン渦の放出振動数の約1/3の振動数を有する圧力変動が検出された。この振動数は,既往の研究において高風速渦励振の励振源であると推測されていた「自由端渦」の振動数に一致していた。したがって,自由端渦は空気力として模型の頂部近傍のみに作用することが明らかとなった。また,圧力模型実験のデータを用いアニメーションを作成し,頂部近傍に作用する空気力の時間的推移を観察した。その結果,自由端渦は非定常的に放出されており,片側から連続的に放出される場合と両側から交互に放出される場合があることが観察された。この現象が,高風速渦励振の振幅が非定常となる原因であると考えられた。さらに,自由端渦による空気力のモード形を面的に捉えるために,頂部近傍の圧力変動データにPOD解析を適用した。自由端渦のモード形が1次モードとして得られ,その卓越振動数はやはりカルマン渦の放出振動数の約1/3であった。また,自由端渦が模型の左右から非定常的に放出される様子もモード形として捉えることができた。

Research Products

• [Publications] 北川徹哉: "円柱ロッキング模型における高風速渦励振の発現特性" 日本風工学会誌. 第71号. 87-88 (1997)
• [Publications] 北川徹哉: "模型のスケールの変化が高風速渦励振の発現特性に及ぼす影響" 土木学会第52回年次学術講演会概要集. 1-B. 42-43 (1997)
• [Publications] KITAGAWA,T.: "An experimental study on vortex-induced vibration of a circular tower at a high wind speed" Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. Vol.69-71. 731-744 (1998)