2020 Fiscal Year Research-status Report
Study on Stability of Vehicles on Bridges under Strong Winds by Numerical Simulation
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20K04659
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
金 惠英 東京理科大学, 理工学部土木工学科, 助教 (80736439)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
勝地 弘 横浜国立大学, 大学院都市イノベーション研究院, 教授 (80303080)
藤野 陽三 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 名誉教授 (20111560)
シリンゴリンゴ ディオン 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(准教授) (60649507)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 横風 / 橋梁上車両 / 数値流体解析 / 風洞実験 / 車両圧力測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
橋梁上を走行する車両の横風安定性については，入力となる風の特性と橋梁構造との相互干渉，剥離による橋梁上での複雑な風環境場において，さらに車両周りに形成される剥離流れ場に起因する変動空気力に依存する．これらの複雑な相互干渉流れ場を再現することは容易ではない．最近，数値流体解析手法は，コンピュータの性能向上や様々な解析手法の開発により，目覚ましい発展を遂げている．本研究は，橋梁上の車両の空気力特性に関して橋桁との相互干渉を数値流体解析によりできる限り精密に再現する．
東京湾アクアライン橋梁上の車両を対象にLarge Eddy Simualation (LES) により橋桁と車両周りの流れを再現し，橋梁上の車両に対する時刻歴変動空気力を求めた．
なお，東京湾アクアラインを模擬した桁上に停止した車両模型を用いて風洞実験を行い，車両に作用する圧力分布を求めた．なお風の乱れは，橋桁からの剥離状況を変化させることから，一様流と乱流中での比較も行った．実験は，横浜国立大学の閉回路回流型風洞で行った．実験模型は縮尺1/80とし，橋桁模型の支間中央部に車両模型を接着した．また乱流格子を用いて，乱れ強さ10%の乱流場を生成した．本研究では，実際の東京湾アクアラインでの走行車両を考慮して，軽トラック，中型トラック，大型トラック，バスの4車種を選定した．圧力測定キューブに厚紙で作成した車両パーツを組み合わせる事で，車両に対する圧力を測定し，車両に働く空気力を測定した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
車両まわりの流れ場は橋桁の流れに影響を受け，非定常性が強く乱れが大きくなっているため，3次元非定常LES解析を行った．流れの支配方程式は非圧縮性のNavier-Stokes方程式と連続式であり，計算アルゴリズムはPISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)を用いる．乱流モデルはLESの標準Smagorinskyモデルで一様流の流入し，解析を行った．その際に，車線，車高，風の迎角をパラメータとして，各ケースの車両の空気力係数を求めた．
計算は車線位置，桁高の影響を調査するため5ケースの解析を行った．桁高について比較すると，厚桁高断面ではせん断層の高さが薄桁高断面よりも大きくなるため，せん断層が車両の上部を通過し，薄桁高断面よりも安全側の空気力係数を示した．空気力係数を車線位置について比較すると，風上側のLane1が最も大きい横力を受けているのに対して，風下側のレーンでは空気力係数の変動が大きくなった．
また，風洞実験により，箱桁橋梁上の様々な車両に対する圧力分布を，各車線と流れごとに測定した．その結果，風特性，車種別，車線ごとに圧力分布の差が顕著で，現行の一様な規制基準に代わる車種別，車線別の合理的な通行規制基準を適用できる可能性を示した．なお，一様流と乱流では一部異なる傾向を示したことから，乱流の影響を十分に考慮する必要があることがわかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
今までのは，停止車両に働く空気力に着目してきましたが，今後の研究では，車両の速度をパラメータとして走行車両を対象に数値流体解析と風洞実験を行う．
横風により橋梁上の車両に働く空気力を求めた後，車両の安定解析により，車両が不安定になる横転と横滑りになる限界風速を求める．5質点7自由の車両モデルの運動方程式から得た垂直抗力に対して不安定条件を設定することで，横転， ヨーイング(横滑り)の発生を検証する.横転は車輪が浮き上がることで発生する. そのため垂直抗力のいずれかが0以下となった場合に車輪が浮き上がり，横転が発生するとみなす. 次に，ヨーイングは車輪が横方向に滑ることで車体が回転して発生するため，各車輪の摩擦力に注目する. 摩擦力の合力が最大静止摩擦力を越えた場合にヨーイングが発生するとみなす.
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| Causes of Carryover |
国内および海外の会議発表がオンラインで行われたなめ，旅費などが少し残った．
次年度では，風洞実験で走行車両を考慮している．その際に，走行車両に働く空気力を計測するため，小型の6分力計の購入を検討している．計測器の購入にこの助成金を使う予定である．
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Research Products
(1 results)
