交互渦によるインライン振動物体の励振力

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14550161
• Research Institution: Shibaura Institute of Technology
• Principal Investigator: 岡本 史紀 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (60052875)
• Keywords: 圧力 / 渦 / 流体力 / 円柱 / ロックイン / 流体関連振動

Research Abstract

流体による振動は従来、交互渦であるカルマン渦による渦励振(渦励起振動)が一般的に良く知られている。それは渦流出に伴って流れに直角方向(揚力方向)の振動が誘起され、物体の固有振動数がカルマン渦の流出振動数に近づくと、カルマン渦の流出振動数が物体の固有振動数に引きつけられる、いわゆるロックイン現象を生じる。このロックイン状態では物体の振動振幅が急激に増加し、時には大規模な事故等が誘発される場合もある。このようなカルマン渦による渦励振は流れに直角方向の振動が卓越しているが、今まであまり知られていない流れ方向(インライン)の振動も最近注目されている。本研究では研究の第一段階として2次元円柱を流れ方向に強制振動させ、加振振動数をロックイン状態の領域内外に変化させた場合の2次元円柱に作用する流体力について詳細に調べる。その結果、従来解明されていない交互渦流出に伴う流れ方向振動のロックイン状態の領域内外の円柱に作用する非定常な流体力の定量的評価を行う。本研究で用いた風洞は、500mm×500mmの正方形吹き出し口をもつN.P.L式ブローダウン型風洞で、長さ2000mmの測定部を有している。モデルとなる円柱は直径D=50mmでアルミニウム製のものを用い、前縁より500mm下流の位置に片持ち支持された円柱を加振装置に設置し、主流方向に片側振幅1.5mmに正弦的に加振した。実験は主流速度4m/s、Re=1.32×10^4のもとで行った。背面圧力係数と無次元加振振動数Svの関係を調べると、ロックイン領域に入ると無次元加振振動数が増えるとともに背面圧力係数は急激に低下し、Sv=0.375付近で最低値に達し、再び高い値へ増加する。これはロックイン領域では円柱への加振は規則的な渦生成を促進させるために円柱からのはく離せん断層の巻き込みを強め、かなり明瞭な渦列が形成される。そのため背面圧力係数は静止円柱の結果と比べて低下する。さらに平均抗力係数も背面圧力係数の変化とほぼ対応しており、ロックイン領域に入ると抗力係数は増加し、Sv=0.375付近で最も高い値を示す。その後Sv>0.375になると減少する傾向を示している。次に振動位相角に対して変化する変動抗力係数の最大値を用いて、円柱表面に作用する変動抗力係数の無次元加振振動数に対する変化を求めた。ロックイン領域に入ると変動抗力係数が急激に増加し、ロックイン領域のSv=0.4で最大値に達した。
本研究から次のようなことが明らかになった。
(1)本研究ではSv=O.325〜0.425の範囲でロックイン領域に入ることが明らかになった。
(2)ロックイン領域ではその前後と比べて背面圧力は低下し、平均抗力はその影響を受け急激に増加する。
(3)ロックイン領域では表面圧力、変動圧力とも振動位相角により大きく変化する。さらに変動抗力係数は急激に増加する。