渦誘起振動

流体力学において、渦励起振動( VIV ) とは、外部の流体の流れと相互作用する物体に誘起される運動であり、流れの周期的な不規則性によって生成されるか、または周期的な不規則性を生成する運動です。

典型的な例は、水中の円筒の VIV です。これがどのように起こるかは、円筒を水 (プールまたはバケツ) に入れ、軸に垂直な方向に水中を移動させることで確認できます。実際の流体は常にある程度の粘性を示すため、円筒の周りの流れは表面と接触している間は遅くなり、いわゆる境界層が形成されます。ただし、ある時点で、その層は過度の曲率のために本体から離れることがあります。すると渦が形成され、表面に沿った圧力分布が変わります。渦が本体の周囲に対称的に形成されない場合 (中心面に対して)、本体の両側に異なる揚力が発生し、流れに対して横方向の動きが生じます。この動きによって渦形成の性質が変わり、動きの振幅が制限されます (一般的な共鳴の場合に予想されるものとは異なります)。このプロセスは、流量が大幅に変化するまで繰り返されます。

VIV は、ケーブルから熱交換器のチューブアレイまで、さまざまな工学分野で現れています。また、海洋構造物の設計においても重要な考慮事項です。したがって、VIV の研究は、流体力学、構造力学、振動、数値流体力学(CFD)、音響学、統計学、スマート材料など、多くの分野の一部となっています。

モチベーション

これらは、橋梁、煙突、送電線、航空機の操縦翼面、海洋構造物、サーモウェル、エンジン、熱交換器、海上ケーブル、曳航ケーブル、石油生産における掘削および生産ライザー、係留ケーブル、係留構造物、係留構造物、浮力およびスパー船体、パイプライン、ケーブル敷設、ジャケット構造物のメンバー、およびその他の流体力学および水中音響の用途など、多くの工学的状況で発生します。^{[2]水中の長い円筒形メンバー}^[3]への最近の関心は、1000 m 以上の深さでの炭化水素資源の開発から生じています。^[4]および^{[5]も参照してください。}

渦誘起振動 (VIV) は、スチールカテナリーライザー(SCR) やテンションレグプラットフォーム(TLP) のテンドンまたはテザーを含む、沖合石油探査掘削、輸出、生産ライザーの疲労損傷の重要な原因です。これらの細長い構造物は、流れと船体上部の動きの両方の影響を受け、流れと構造の相対運動を引き起こし、VIV を引き起こします。

流体力学における古典的なオープンフローの問題の1つは、円筒、またはより一般的には鈍角体の周りの流れに関するものです。レイノルズ数が非常に低い場合（円形部材の直径に基づく）、結果として生じる流れの流線は、ポテンシャル理論から予想されるように完全に対称です。しかし、レイノルズ数が増加すると、流れは非対称になり、いわゆるカルマン渦列が発生します。このように渦の放出によって生成される円筒の動きは、電力を生成するために利用できます。^[6]

ストローハル数は、渦放出の周波数と流れの速度および物体の特性寸法（円筒の場合は直径）を関連付けます。これは次のように定義され、チェコの科学者チェネク（ヴィンセント）ストローハルにちなんで名付けられました。 ^[7]式で、f _stは静止物体の渦放出周波数（またはストローハル周波数）、D は円筒の直径、U は周囲の流れの速度です。 ${\textrm {St}}=f_{st}D/U$

ロックイン範囲

円筒のストローハル数は、広範囲の流速にわたって 0.2 です。ロックイン現象は、渦放出周波数が構造物の振動の自然基本周波数に近づいたときに発生します。これが発生すると、大きな損傷を与える振動が発生する可能性があります。

現在の技術水準

過去 10 年間で、数値的にも実験的にも、低レイノルズ数領域ではあるものの、VIV の運動学(動力学) の理解に向けて大きな進歩がありました。その基本的な理由は、VIV が平均定常運動に重畳された小さな摂動ではないことです。VIV は本質的に非線形で、自己制御または自己調整された多自由度現象です。2 つの非定常せん断層と大規模な構造の存在によって現れる非定常流れ特性を示します。

既知で理解されていることは多いが、経験的/記述的な知識の領域にとどまっていることも多くある。支配的な応答周波数、正規化速度の範囲、位相角の変化（力が変位に先行する角度）、同期範囲での応答振幅は、制御パラメータと影響パラメータの関数としてどうなるか。産業用途では、流体と構造の相互作用の動的応答を予測することができないことが浮き彫りになっている。産業用途では、他の支配パラメータや影響パラメータの中でも、揚力係数（または横方向の力）の同相および異相成分、インライン抗力係数、相関長、減衰係数、相対粗さ、せん断、波、流れなどの入力が引き続き必要であり、したがって比較的大きな安全係数の入力も必要である。基礎研究と大規模実験（これらの結果が公開された文献で発表された場合）により、構造の応答と支配パラメータおよび影響パラメータとの関係を定量化するために必要な理解が得られる。

現在の研究室の技術水準は、自由度が 6 から 1 (つまり横方向の動き) に減少した剛体 (主に円筒の場合、そして最も重要な場合) と、大規模な渦構造が支配的な 3 次元の剥離流との相互作用に関するものであることは、いくら強調してもしすぎることはありません。

参照

参考文献

^ 出典: Placzek, A.; Sigrist, J.-F.; Hamdouni, A. (2009). 「低レイノルズ数におけるクロスフロー中の振動シリンダーの数値シミュレーション: 強制振動と自由振動」(PDF) . Computers & Fluids . 38 (1): 80–100. doi :10.1016/j.compfluid.2008.01.007. S2CID 121271671.
^ キング、ロジャー（BHRA 流体工学）、定常流中の円筒の渦励起構造振動、OTC 1948、pp. 143-154、海洋技術会議、1974 年 5 月 6 ～ 8 日、テキサス州ヒューストン、米国。https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-1948-MS
^ Vandiver, J. Kim、「長いフレキシブルシリンダーの抗力係数」、OTC 4490、海洋技術会議、1983 年 5 月 2 ～ 5 日、テキサス州ヒューストン、米国。https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-4490-MS
^ Verley, RLP (BHRA), Every, MJ (BHRA), 波動誘起振動によるフレキシブルシリンダー、OTC 2899、海洋技術会議、1977 年 5 月 2 ～ 5 日、テキサス州ヒューストン、米国。https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-2899-MS
^ Jones, G.、Lamb, WS、「せん断流および臨界流における海洋ライザーの渦誘起振動」、Advances in Underwater Technology、Ocean Science and Offshore Engineering、第 29 巻、pp. 209-238、Springer Science + Business Media、ドルドレヒト 1993 年。
^ Soti AK、Thompson M.、Sheridan J.、Bhardwaj R.、「円筒の渦誘起振動からの電力の利用」、Journal of Fluids and Structures、第 70 巻、360 ～ 373 ページ、2017 年、DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2017.02.009
^ Strouhal, V. (1878) 「Ueber eine besondere Art der Tonerregung」 (異常な種類の音の励起について)、Annalen der Physik und Chemie、第 3 シリーズ、5 (10): 216–251。

さらに読む

Bearman, PW (1984)。「振動する鈍い物体からの渦放出」。流体力学年次レビュー。16 : 195–222。Bibcode : 1984AnRFM..16..195B。doi : 10.1146 /annurev.fl.16.010184.001211。
Williamson, CHK; Govardhan, R. (2004). 「渦誘起振動」. Annual Review of Fluid Mechanics . 36 : 413–455. Bibcode :2004AnRFM..36..413W. doi :10.1146/annurev.fluid.36.050802.122128. S2CID 58937745.
Sarpkaya, T. (1979). 「渦誘起振動: 選択的レビュー」.応用力学ジャーナル. 46 (2): 241–258. Bibcode :1979JAM....46..241S. doi :10.1115/1.3424537.
Sarpkaya, T. (2004). 「渦誘起振動の本質に関する批判的レビュー」。流体と構造ジャーナル。19 ( 4): 389–447。Bibcode : 2004JFS .... 19..389S。doi :10.1016/j.jfluidstructs.2004.02.005。hdl : 10945/15340。
Sarpkaya, T.; Isaacson, M. (1981).海洋構造物に対する波力の力学. Van Nostrand Reinhold . ISBN 978-0-442-25402-5。
Sumer, B. Mutlu; Fredsøe, Jørgen (2006)。円筒構造物の周りの流体力学。海洋工学の高度なシリーズ。第 26 巻 (改訂版)。World Scientific。ISBN 978-981-270-039-1。
Naudascher, Edward; Rockwell, Donald (2005) [1994].流体誘起振動: エンジニアリングガイド. 国際水理学会 (IAHR). 第 7 巻 (初版の訂正再版). ミネオラ、ニューヨーク、米国 (AA Balkema Publishers、ロッテルダム、オランダ): Dover Publications . ISBN 978-0-486-44282-2。(注: 再発行版には付録に追加の正誤表が含まれています。)
Hong, K.-S.; Shah, UH (2018). 「渦誘起振動と海洋ライザーの制御: レビュー」.海洋工学. 152 : 300–315. Bibcode :2018OcEng.152..300H. doi :10.1016/j.oceaneng.2018.01.086.

外部リンク

渦誘起振動データリポジトリ
海洋車両の設計原理コース、MIT
eFunda: 渦流量計の紹介

[1] 出典: Placzek, A.; Sigrist, J.-F.; Hamdouni, A. (2009). 「低レイノルズ数におけるクロスフロー中の振動シリンダーの数値シミュレーション: 強制振動と自由振動」(PDF) . Computers & Fluids . 38 (1): 80–100. doi :10.1016/j.compfluid.2008.01.007. S2CID 121271671.

[2] キング、ロジャー（BHRA 流体工学）、定常流中の円筒の渦励起構造振動、OTC 1948、pp. 143-154、海洋技術会議、1974 年 5 月 6 ～ 8 日、テキサス州ヒューストン、米国。https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-1948-MS

[3] Vandiver, J. Kim、「長いフレキシブルシリンダーの抗力係数」、OTC 4490、海洋技術会議、1983 年 5 月 2 ～ 5 日、テキサス州ヒューストン、米国。https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-4490-MS

[4] Verley, RLP (BHRA), Every, MJ (BHRA), 波動誘起振動によるフレキシブルシリンダー、OTC 2899、海洋技術会議、1977 年 5 月 2 ～ 5 日、テキサス州ヒューストン、米国。https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-2899-MS

[5] Jones, G.、Lamb, WS、「せん断流および臨界流における海洋ライザーの渦誘起振動」、Advances in Underwater Technology、Ocean Science and Offshore Engineering、第 29 巻、pp. 209-238、Springer Science + Business Media、ドルドレヒト 1993 年。

[6] Soti AK、Thompson M.、Sheridan J.、Bhardwaj R.、「円筒の渦誘起振動からの電力の利用」、Journal of Fluids and Structures、第 70 巻、360 ～ 373 ページ、2017 年、DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2017.02.009

[7] Strouhal, V. (1878) 「Ueber eine besondere Art der Tonerregung」 (異常な種類の音の励起について)、Annalen der Physik und Chemie、第 3 シリーズ、5 (10): 216–251。