2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of Innovative Wind Resistant Design Methods Using Energy Maps

Research Project

Project/Area Number	22K04293
Research Institution	Kindai University
Principal Investigator	野田博近畿大学, 建築学部, 教授 (30602221)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	数値流体計算 / 流体ー構造物連成解析 / エネルギーマップ / 自由振動計算 / 強制加振計算 / 空力不安定振動 / 渦励振 / ギャロッピング
Outline of Annual Research Achievements	今年度は数値流体計算用コンピュータを購入し、エネルギーマップを作成するための研究環境を整えた。数値流体計算用コンピュータを購入後、数値流体計算による構造物の空力不安定振動の再現性を検証するために２次元正方形角柱の自由振動計算を実施した。２次元正方形角柱の自由振動計算の結果は、これまで多くの既往の研究が実施され研究代表者も以前計算した実績がある。しかし、本研究で用いる数値流体計算コード「OpenFOAM」での計算は、研究代表者は未経験の為「OpenFOAM」での検証計算を実施した。２次元正方形角柱の自由振動計算の結果は、既往の風洞実験結果ならびに既往の数値流体計算による研究結果と良い一致を示し「OpenFOAM」による構造物の空力不安定振動の再現性が確認された。自由振動計算に先立ち、静止状態の正方形角柱まわりの気流計算も実施したが、正方形角柱に作用する風圧分布や渦の発生周期（ストローハル数）は既往の研究成果と良い一致を示した。次いで、エネルギーマップを作成するために強制加振計算を実施した。対象とした構造物は、自由振動計算で対象とした構造物と同じ２次元正方形角柱とした。エネルギーマップを作成するには、種々の加振振幅と加振周期の強制加振計算を実施する必要があるが、先ずはカルマン渦による空力不安定振動を対象とし、加振周期を正方形角柱まわりに現れるカルマン渦の発生周期と同じとした。この場合、加振振幅0.2D(Dは正方形角柱の幅)以下においてエネルギーは正の値を示すことが予測されたが、多くの加振振幅でエネルギーが負の値となった。この結果は、予測と異なるばかりでなく自由振動計算の結果とも異なる。そのため、強制加振計算の手法を再考する必要があると判断した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 「研究実績の概要」でも述べた通り、正方形角柱のカルマン渦による空力不安定振動が発生する加振周期でエネルギーを算出した結果、負の値となり事前の予測ならびに自由振動計算の結果と不一致が確認された。この不一致の原因を解明するために、計算条件を種々検討したり、強制加振の計算方法を変更して検討したため、当初の予定より遅れてしまった。不一致の原因は明確には判明していないが、流体計算における計算格子の変形方法に起因している可能性がある。物体移動周りの流れの計算手法は種々あるが、本研究では物体の移動の変位のラプラシアンを解くことにより計算格子をスムーズに変形する手法を用いている。この手法では、大きな数値粘性により誤差を生じることが報告されている。これが強制加振計算で当初の予測と一致しないことが予測される。
Strategy for Future Research Activity	強制加振計算の結果が好ましくないため、強制加振計算法について特に物体の動きに合わせて計算格子を変形させる方法について改めて検討を行う予定である。自由振動計算と強制加振計算での計算格子の変形方法はいずれも移動物体の変位のラプラシアンを解いて変形させる方法を用いているが、計算過程が若干異なる。この差異を無くすように強制加振計算時の計算格子の変形方法を自由振動計算時のそれと全く同じとする。また、計算格子変形に伴い生じる数値粘性による誤差を少なくするため、正方形角柱幅の約10倍の範囲の講師は変形させず正方形角柱と全く同じく変位をさせ、それ以降の領域で計算格子を変形させる工夫を施す。これらの計算格子の変形方法の改良に加えて、計算スキーム、乱流モデル、ならびにスパン方向の境界条件についても改めて検証し、再現性の高い計算手法を調査する。正方形角柱に作用する変動風圧のスパン方向の相関係数がスパン方向の境界条件に依存することが最近の既往の研究により報告されている。スパン方向の相関係数は、正方形角柱の空力不安定振動性状に大きく影響する。そのため、スパン方向の境界条件を改めて検討する予定である。
Causes of Carryover	次年度使用額が発生した理由は、今年度使用予定であった人件費謝金を使用しなかったためである。これは本研究が当初予定より遅れていることに起因している。研究の遅れの原因は一部計算手法の精度が好ましくないことに起因しており、その改良に多くの時間を費やしているためである。次年度では、現在計算手法の改良に時間を要しているため、その作業費に今年度繰り越した人件費を用いて、研究のスピードアップを図る予定である。