Research on Behavior Prediction of Cylindrical Line Structure with Rotation in Flow

Research Project

Project/Area Number	18H01634
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 24020:Marine engineering-related
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	林昌奎東京大学, 生産技術研究所, 教授 (70272515)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help	¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000) Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000) Fiscal Year 2019: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000) Fiscal Year 2018: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
Keywords	回転円柱 / 流速分布 / 流体力 / 離散渦法 / エンドプレート / 付加質量 / 円筒型線状構造物 / 回転 / 流れ / 負荷質量
Outline of Annual Research Achievements	本研究では流れ中において回転する円柱に働く流体力の特性を明らかにし、ドリルパイプのような流れ中において回転する円筒型線状構造物の挙動評価手法の開発を行う。研究は、円筒構造物の剛体模型及びフレキシブル模型を用いた水槽実験、並びに離散渦法と有限要素法による数値解析方法を用いて実施する。剛体模型を用いる実験からは回転による円柱に働く流体力及び流れ場の変化を計測し、フレキシブル模型を用いる実験からは回転による円筒型線状構造物の振動特性の変化を計測し、回転による付加質量の変化を調査する。東京大学生産技術研究所千葉実験所の風路付造波回流水槽において実施した剛体円柱を用いた水槽実験では、先行研究のエンドプレート付き剛体円柱を用いた実験で得られた結果と同様に、回転速度の増加に伴う抗力の減少と増加並びに揚力の増加が見られたが、揚力及び抗力の増加が比較的低い回転比（流速と円柱周速との比）で頭打ちになる結果が得られた。また端部を自由境界にすると流体力の最大値が減少する結果が得られた。これらの結果は、先行研究において円柱と一緒に回転するエンドプレートにより円柱と一緒に回転する流体の量が増加し、その結果円柱に働く流体力が大きくなった可能性を示唆している。なお、回転しない円柱で見られる自由表面の影響は円柱が回転することにより弱まり結果が得られた。円柱の回転と付加質量との関係を調査するため、東京大学生産技術研究所千葉実験所の海洋工学水槽において、フレキシブルパイプを用いた流れ中で回転する円柱の運動特性を計測する実験の準備を進め、実験システムを構築と実験手順の確認、並びに計測システムの精度検証を行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 平成30年度には主に剛体円柱を用いた水槽実験により、流れ中において回転する円柱に働く流体力の特性について研究した。東京大学生産技術研究所千葉実験所の風路付造波回流水槽において、検力計に装着した剛体円柱を水中に入れ、水面及び端部の異なる境界条件における流れ中で回転する円柱の回転トルク及び流れ方向の流体力（抗力）、流れと直角方向の流体力（揚力）を計測し、回転トルク及び流体力と流速、回転速度との関係を調査した。両端を固定境界で囲んだ円柱模型に働く流体力は、比較的低い回転比（流速と円柱周速との比）で頭打ちになり、自由境界にすると流体力の最大値が減少する結果が得られた。これらの結果は、先行研究において円柱と一緒に回転するエンドプレートにより円柱と一緒に回転する流体の量が増加した可能性を示唆している。なお、回転しない円柱で見られる自由表面の影響は円柱が回転することにより弱まり結果が得られた。先行研究とは異なる結果が得られたが、それによって回転が円柱に働く流体力に及ぼす影響の特性がより明確になった。円柱の回転と付加質量との関係を調査するため、東京大学生産技術研究所千葉実験所の海洋工学水槽において、フレキシブルパイプを用いた流れ中で回転する円柱の運動特性を計測する実験の準備を進め、実験システムを構築と実験手順の確認、並びに計測システムの精度検証を行った。
Strategy for Future Research Activity	平成31年以降は、東京大学生産技術研究所千葉実験所の風路付造波回流水槽において、剛体円柱を用いた水槽実験により、平成30年度の研究から新たに浮上したエンドプレートの影響についてより詳細に調べると共に、東京大学生産技術研究所千葉実験所の海洋工学水槽において、フレキシブルパイプを用いた流れ中で回転する円柱の運動特性について調査する。なお、これらの研究で得られた成果をモデル化し、渦離散法と有限要素法を用いて、流れ中で回転する円筒型線状構造物の挙動数値シミュレーション手法の開発を行う。