強非線形波浪流体力を求める数値計算手法、実験手法及びその評価手法に関する研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450403
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 内藤 林 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (20093437)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷澤 克治 海上技術安全研究所, 主任研究官 ; 箕浦 宗彦 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30294044) ; 高木 健 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (90183433) ; 木原 一 防衛大学校, 機械工学教室, 助手 ; 野澤 和男 大阪大学, 大学院・工学研究科, 講師 (10304023)
• Keywords: 粒子法 / 強非線形 / 波浪流体力 / 圧力 / 時空平均 / 力積 / 浮体の大振幅動揺

Research Abstract

2年度の研究成果は以下である.
粒子法は、その計算領域が大きくなるとそれに従って計算時間はうなぎ昇りに大きくなる短所を持つ.粒子法が、衝撃的な短時間に生起する強非線形現象、例えばスラミング、デッキウエットネスなどの現象をよく表現できることは昨年までの研究で、計算と実験値を比較することで示してきた.しかし、船舶海洋工学の分野では、短時間の強非線形現象だけでなく、ダメージを受けた船舶が転覆にいたるまでの挙動を計算する時などは短時間の計算時間では不十分である.波が有る状況下で、長時間の計算を行うことは現下の粒子法では不可能に近い.計算時間を少なくするために、計算領域を小さくすると、計算領域の境界からの波反射やエネルギーの消散などがあるからである.以下、2点について研究を進めた.
1.上記の事を解決するためには波の反射影響をなくす必要がある.そのために以下の研究を進め解決の方策を示した.
(1)計算領域は、一方に造波境界、他方に計算領域の境界がある。その境界からの波の反射を無くすために、そこに完全波吸収システムを設置する.このシステムは既に研究代表者が開発したシステムがあり、それを粒子法に合うように改良すれば良い.この外部力学系の設計手法を簡単に記すと次のようである.「1」外部力学系は、バネとダッシュポットから成る。「2」バネ常数、ダッシュポットの係数は、規則波の完全吸収理論により定める。「3」境界に存在する粒子各々にこの外部力学系を付ける.
(2)この外部力学系を設置した境界における波エネルギー吸収量を計算した結果、100%の波吸収を実現でき、完全波吸収境界を造ることが出来た.
(3)完全波吸収条件は、波周波数に依存するために周波数毎に外部力学系の係数は変えなければならない.これは、不規則波の完全波吸収境界を造る為には特別な境界を必要とすることを意味する.即ち、畳み込み積分制御が必要である.この件も既に研究代表者が理論的に明らかにしている。その手法を次年度使って、不規則波も完全吸収できる境界を完成する予定である.
2.計算領域の問題で水底をどこに設定するかも重要な問題である.これも計算時間に直接的に響くからである.波の問題の場合、水面における流体変動と、水底近くにおける流体変動には大きな差があり、水底近くではその変動は急速に小さくなる.しかし、本来無限水深として考えるところを有限水深として計算するために、変動があるべき計算境界の水底ではそれが考慮されていない。そこで、有限水深の水底を波動運動させる手法を導入した.水面上の撹乱から計算水底境界の撹乱を推定し、それに基づいて水底を強制的に動かすことで波の減衰を大幅に減ずることが出来た.これは水深に関して計算領域を画期的に減ずる事が出来るものである.
以上2点に渡り小さな計算領域で粒子法の計算を可能にする方策を示した.このことは粒子法の適用分野を開くものである.

Research Products

• [Publications] 末吉 誠: "粒子法による強非線形流体現象の研究(その2)-2次元流体力-"関西造船協会誌. 第237号. 181-186 (2002)
• [Publications] Shigeru Naito: "A Numerical Study on Complicated Motions of Floating Bodies"http://web02.webb-institute.edu/stability/ Proc. of 6^<th> International Ship Stability Workshop. (2002)
• [Publications] Shigeru Naito: "A Numerical Analysis of Violent Free Surface Flow by Particle Method"Proc. of 5^<th> Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium. 219-226 (2002)
• [Publications] Makoto Sueyoshi: "A Numerical Study of Very Large Motion of Floating Body by Practicle Method"Proc. of Asia/Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics. 146-150 (2002)