内部流によるパイプの自励振動について

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22560802
• Research Institution: National Maritime Research Institute
• Principal Investigator: 國分 健太郎 独立行政法人海上技術安全研究所, 洋上再生エネルギー開発系, 主任研究員 (50358404)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 二村 正 独立行政法人海上技術安全研究所, 洋上再生エネルギー開発系, 主任研究員 (00425753)
• Keywords: 内部流 / 弾性管の振動 / 連続体 / コリオリ力 / 固有モード

Research Abstract

母船から吊り下げられている取水管で、下端から海水を取水するものとして、内部流がある弾性管の偏微分運動方程式及び境界条件(前年度に導出)を無次元化及び差分化し、将来の値を現在と過去の値を使って求める数値シミュレーターを作成した。
また、外径0.028m、内径0.025m、長さ6m、ヤング率4.93×10^8N/m^2のパイプの上端に流速計とポンプを取り付け、水槽の水を汲み上げて、排水をまた水槽に戻す実験装置を製作した。この実験装置を当所の深海水槽に取り付けて、水を汲み上げる事により内部流を発生させ、流速を断続的に変化させる事により、内部流によるパイプの自励振動が発生するかを調べた。内部流のあるパイプにはまた中央部でインパルスの外乱を与え、自励振動の発生の有無を調べた。
運動方程式の変数分離解析の結果、コリオリ力項を考慮すると実数解は得られず、モードは存在しない事が解るが、コリオリ力の影響が小さいと仮定してその項を省略すると、実数解が存在してモードが存在する。この場合の一次モード及び二次モードでの共振の可能性のある流速での数値シミュレーション(コリオリ力項を含んでいる)の結果と実験結果は、共に自励振動は起こらずに一致している。しかしながら、三次モードでの共振の可能性のある流速での数値シミュレーション結果は自励振動が発生するが、実験結果では発生せずに、結果に違いが生じている。
また、それら以外でも流速の値を断続的に変化させたが、パイプの自励振動は実験的には確認できなかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

予定通り、昨年度は数値シミュレーターの開発及び実験の実施ができたから。数値シミュレーション結果と実験結果が一致しない点は、今年度の課題としたい。

Strategy for Future Research Activity

当所の深海水槽において、昨年度用意したパイプ模型の上端に強制加振装置を取り付けて、振動数を連続的に変化させて加振する事により、共振現象を調べる。
実験結果を数値シミュレーション結果と比較して、数値シミュレーターを改良する。
研究結果を論文にまとめ、発表し、報告書にまとめる。