渦放出

流体力学において、渦放出とは、空気や水などの流体が、物体の大きさや形状に応じて一定の速度で、流線型ではない鈍い物体を流れるときに発生する振動流です。この流れでは、物体の背面に渦が生成され、物体の両側から定期的に分離して、カルマン渦列を形成します。物体を通過する流体の流れにより、物体の下流側に低圧の渦が交互に生成されます。物体は低圧ゾーンに向かって移動する傾向があります。

ブラフ構造がしっかりと固定されておらず、渦放出の周波数が構造の共振周波数と一致すると、構造は共振し始め、流れのエネルギーによって引き起こされる調和振動で振動します。この振動は、架空送電線の電線が風でうなり音を立てたり、 ^[1]自動車の無線アンテナが一定の速度でバタついたりすることの原因です。薄肉鋼管で作られた背の高い煙突は十分に柔軟であるため、臨界範囲の速度の空気流では、渦放出によって煙突が激しく振動し、煙突が損傷または破壊される可能性があります。

1940年にタコマナローズ橋（ギャロッピング・ガーティ）が崩壊した原因の一つとして渦放出が提案されたが、渦放出の頻度が橋のそれと一致しなかったため却下された。橋は実際には空力弾性フラッターによって崩壊した。^[2]

オハイオ州サンダスキーのシーダーポイントにある絶叫系アトラクション「ヴァーティゴー」は、 2001年の冬に渦放出に見舞われ、3つのタワーのうち1つが崩壊した。当時、このアトラクションは冬季閉鎖されていた。^[3]イラン北東部のハシェミ・ネジャド天然ガス精製所のフレアスタックは、1975年から2003年にかけて7回渦放出に見舞われた。いくつかのシミュレーションと分析が行われ、主な原因はパイロット炎とフレアスタックの相互作用であることが明らかになった。パイロット炎を取り除くことで問題は解決した。^[4]

円筒の渦放出が発生する周波数は、次の式によってストローハル数と関連しています。

${\displaystyle \mathrm {St} ={\frac {f\cdot D}{V}}}$

ここで、は無次元ストローハル数、は渦放出周波数 (Hz)、は円筒の直径 (m)、 は流速 (m/s) です。 ${\displaystyle \mathrm {St} }$${\displaystyle f}$${\displaystyle D}$${\displaystyle V}$

ストローハル数はレイノルズ数 に依存しますが、^[5] 0.22 という値が一般的に使われています。^{[6]単位は無次元なので、変数には任意の単位セットを使用できます。レイノルズ数が 10 2}から10 ⁵の4 桁の範囲では、ストローハル数は 0.18 から 0.22 の間でしか変化しません。^[5]${\displaystyle \mathrm {Re} }$

フェアリングは、航空機の翼などの構造物に取り付けることで、構造物を通過する流れを効率化します。

高い金属製の煙突や、アンテナマストやテザーケーブルなどの管状構造物には、外部にらせん状のフィン（ストレーキ）を取り付けて意図的に乱流を発生させ、負荷の変動を抑え、共振負荷周波数の振幅を無視できるものにすることができます。^[7]渦誘起振動を低減するためのらせん状のストレーキの有効性は、1957年に英国国立物理学研究所のChristopher ScrutonとDEJ Walsheによって発見されました。 ^[8]そのため、これらはScruton ストレーキと呼ばれることがよくあります。空気の流れによって引き起こされる渦の抑制効果を最大限にするには、各フィンまたはストレーキの高さをシリンダー直径の約10％にする必要があります。各フィンのピッチは、シリンダー直径の約5倍にする必要があります。^[9]

同調質量ダンパーは、煙突や煙突内の渦放出を軽減するために使用できます。

ストックブリッジダンパーは、架空送電線上の渦放出によって引き起こされる風振動を軽減するために使用されます。

• 空力弾性フラッター- 振動誘起渦 - 対照的に
• 渦
• 渦誘起振動
• フォン・カルマン ボルテックス ストリート

• 水路内のレーザーシートで照射された水素泡を使用した円筒上の渦放出メカニズムの流れの可視化。GRS Assi 提供。