研究課題
管群をダクトに内蔵する熱交換器において、ダクトを流れる気体がある流速に達すると気柱振動が励起されて高レベルの騒音が発生する場合があり、最悪の場合にはプラントの負荷上昇が困難になるばかりでなく、構造の破損を引き起こす｡この現象は、管群から放出されるカルマン渦が気柱振動を励振し、気柱振動が放出されるカルマン渦の強度を増大し、各渦の放出のタイミングの同期化を促進するというフィードバック機構を有する自励振動である。本研究では管群における気柱共鳴現象を設計段階で予測することを目的に、後流振動子モデルを用いて渦/共鳴音場相互作用のモデル化と、それに基づく定式化を行った。渦/共鳴音場相互作用では多数の渦が共鳴の成長とともに同期化する現象を取り扱うために、後流振動子の位相のばらつきを考慮可能な確率論的な機能を付加した。また、もうひとつの相互作用因子である「共鳴の成長とともに渦の強度が増大する」現象もFacchinettiの解を参考に定式化した。その結果をもとに、設計時点での共鳴成分の強度を予測可能な計算方法を提案した。本提案の精度、妥当性を検証すべく、熱交換器の代表的な製品である大容量ボイラ管群部の縮尺模型を風洞装置に設置して風洞実験を行った。その結果、実機における共鳴現象の再現に成功するとともに、この現象を支配する現象である「渦放出の空間的な同期化」について、本提案手法により高精度にシミュレーション可能であることが明らかとなった。今後、提案する予測シミュレーションにおける未知パラメータの実験同定、予測精度の実験検証を行う。特に、管群設計において重要な課題である「共鳴が生じていない固有モード」についての原因解明が今後の課題である。
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Open Journal of Fluid Dynamics
巻: vol.2, No.4A ページ: 311-317
振動技術
巻: No.28 ページ: 40-48
