海洋で用いる長大弾性管の運動の解析プログラムと運動制御システムの開発

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13355037
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 小寺山 亘 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (80038562)
• 研究分担者: 梶原 宏之 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (30114862) ; 山口 悟 九州大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (00253542) ; 中村 昌彦 九州大学, 応用力学研究所, 助教授 (40155859) ; 鷲尾 幸久 海洋科学技術センター, 海洋技術研究部, 副主幹 ; 大松 重雄 海上技術安全研究所, 海洋開発研究領域, 領域部長
• キーワード: 海洋長大弾性管 / 渦励振 / 実験と理論

研究概要

本年度は昨年度開発した3次元運動計算法を用いて弾性管の渦励振(VIV)による弾性管の面外挙動の数値計算法の開発を行い、その妥当性を実験値との比較による検証を行った。実験は静水中において、上端部分をピン支持された弾性管モデルを強制動揺装置により前後揺させ、模型から剥離する渦により引き起こされる模型の面外方向の運動を計測した。本実験では、模型の強制運動の前後揺(X-Z面)と面外運動(Y-Z面)をそれぞれ5台のCCDカメラにより計測した。
続いてVIVの影響も考慮した弾性管の挙動の数値計算法を開発した。本数値計算法では、先ず模型の上端が強制動揺する事により生じる模型の面内運動の計算を行い、そして面外方向の運動方程式に面内運動に伴って誘起される揚力の数値モデルを導入する事によって、渦励振のシミュレーションを行った。
面外運動が面内方向の抗力係数に影響を及ぼす事は周知の事実であり、この事実を考慮し、再び面内運動の計算を行った。従って、同時刻における面内・面外両方向の運動が収束するまで繰り返し計算を行っている。数値計算に用いた揚力の数値モデルは、今回行った実験結果の解析とその考察を通じて改良を行った。これらの実験および計算によって、揚力によって生じる渦励振の周波数は強制動揺周波数の整数倍になること、弾性管各部に生じる振動はその部分で生じる流出渦による渦励振と他の部分から伝わる振動の2種類からなること、同じ部分であっても時間的な経過によって渦励振の振動数が変化する場合が有ることなどが確認された。

研究成果

• [文献書誌] Y.P.Hong, W.Koterayama: "An Analytical Study on a Riser and the Validation by Forced Oscillation Experiments"Proc.of the 3rd Int.Conf.on Hydroelasticity in Marine Technology. 37-44 (2003)
• [文献書誌] H.Senga, Y.P.Hong, W.Koterayama: "A Numerical and Experimental Study in the Vortex Induced Vibration of a Flexible Riser"Proc.of the 14th Int.Offshore and Polar Engineering Conference. (in press). (2004)
• [文献書誌] H.I.Park, Y.P.Hong, M.Nakamura, W.Koterayama: "An Experimental Study on Vortex Induced Vibrations of a Highly Flexible Immersed Pine Subjected to Top End Oscillation"J.of Waterway, Port, Coastal and ocean Engineering. (in press). (2004)
• [文献書誌] Y.P.Hong, W.Koterayama: "A Numerical Simulation Scheme for Dynamics of a Flexible Riser and Its Validation by Forced Oscillation Experiments"Int.J.of Offshore and Polar Engineering. (in press). (2004)