Development of Innovative Wind Resistant Design Methods Using Energy Maps

利用能量图开发创新的抗风设计方法

• 批准号: 22K04293
• 负责人: 野田 博
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Kindai University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04293/
• 关键词: 数値流体計算; 流体ー構造物連成解析; エネルギーマップ; 自由振動計算; 強制加振計算; 空力不安定振動; 渦励振; ギャロッピング; 耐風設計; 流体ー構造連成解析

今年度は数値流体計算用コンピュータを購入し、エネルギーマップを作成するための研究環境を整えた。数値流体計算用コンピュータを購入後、数値流体計算による構造物の空力不安定振動の再現性を検証するために２次元正方形角柱の自由振動計算を実施した。２次元正方形角柱の自由振動計算の結果は、これまで多くの既往の研究が実施され研究代表者も以前計算した実績がある。しかし、本研究で用いる数値流体計算コード「OpenFOAM」での計算は、研究代表者は未経験の為「OpenFOAM」での検証計算を実施した。２次元正方形角柱の自由振動計算の結果は、既往の風洞実験結果ならびに既往の数値流体計算による研究結果と良い一致を示し「OpenFOAM」による構造物の空力不安定振動の再現性が確認された。自由振動計算に先立ち、静止状態の正方形角柱まわりの気流計算も実施したが、正方形角柱に作用する風圧分布や渦の発生周期（ストローハル数）は既往の研究成果と良い一致を示した。次いで、エネルギーマップを作成するために強制加振計算を実施した。対象とした構造物は、自由振動計算で対象とした構造物と同じ２次元正方形角柱とした。エネルギーマップを作成するには、種々の加振振幅と加振周期の強制加振計算を実施する必要があるが、先ずはカルマン渦による空力不安定振動を対象とし、加振周期を正方形角柱まわりに現れるカルマン渦の発生周期と同じとした。この場合、加振振幅0.2D(Dは正方形角柱の幅)以下においてエネルギーは正の値を示すことが予測されたが、多くの加振振幅でエネルギーが負の値となった。この結果は、予測と異なるばかりでなく自由振動計算の結果とも異なる。そのため、強制加振計算の手法を再考する必要があると判断した。

今年，我们购买了一台用于计算流体计算的计算机，并创建了一个用于创建能量图的研究环境。在购买了计算流体计算计算机后，我们对二维方棱柱进行了自由振动计算，以验证使用计算流体计算的结构不稳定气动振动的再现性。之前有很多研究都是针对二维方棱柱的自由振动计算结果进行的，主要研究者也曾经进行过计算。然而，由于主要研究者没有使用本研究中使用的计算流体计算代码“OpenFOAM”进行计算的经验，因此使用“OpenFOAM”进行了验证计算。二维方棱柱的自由振动计算结果与前期风洞实验和数值流体计算研究结果吻合良好，证实了OpenFOAM对结构不稳定气动振动的重现性。在进行自由振动计算之前，进行了静止状态下四棱柱周围的气流计算，作用于四棱柱上的风压分布和涡产生周期（斯特劳哈尔数）与前人的研究结果吻合良好。接下来，进行受迫振动计算以创建能量图。目标结构为二维方棱柱，与自由振动计算中的目标结构相同。为了创建能量图，需要对各种激励振幅和激励周期进行强制激励计算，但首先，我们将针对卡门涡旋引起的不稳定空气动力学振动，并假设改变方棱柱周围的激励周期。与 中出现的卡门涡旋的产生周期相同。在这种情况下，预计在0.2D（D是四角棱柱的宽度）以下的激发振幅下能量将取正值，但是在许多激发振幅下能量取负值。这个结果不仅与预测不同，而且与自由振动计算的结果也不同。因此，决定有必要重新考虑受迫振动的计算方法。