定常流中の流体力

浮体式海併託宣鈎の係留、ンステムの設計のために出斡流による定常外力を知る必要があ る。 また、海j朝高創吻を庖査後に設置場所まで則元する場合の曳船に要求される馬力の算 定や曳航索に働く張力を推定するためには、 定常ゲれによる格安防に作用する抗力を知る 必要がある。

本章では、複雑な形状を持つ浮体向毎附蕎造物に働く定常抗力の宇佐算法を第2章~第4章 に示した方法を基に組み立てる。宇佐知去の妥当性を検証するために、多くのTLP形式海、情蕎 造防で採用されている4本カラムと水平角本胡財で構成される構造物模型、 ロワーハノレ付 カラムで支持された概査側莫型およひ多数のフーティング付カラム群で支持された構造物 模型に加わる定常抗力の宇佐算値と実験値を比較し、十時法の有効性を検証する。

7.1.1 模型及び実験法

実験供試模型の根康をFig. 7. 1""'-'7. 3に示す。Fig.7. 1は、代謝ぬT印形式海南部助 の構造様式である4本のカラムとカラム底部で4本のカラム聞を溜吉L柏拾する4本の水 平角柱音財オにより構成されている。 カラムの直径D は0.25m、 水平角柱音R材の高さは O.115m、カラムの間隔は3.04Dである。この模型は、完擦にお毎で移動しているSnore TLP の111∞縮尺模型である。Fig. 7. 2は、半潜水お毎消常造物としてはごく一側怜ロワー ノ\ノしイ寸カラムと補強材としてのプレーシング、により構成されたロワーノ\ノしイ寸カラム形均毎

115

-・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・園田・・・園田

一一一一一一一一一一一一一一一一 一ーー・・唱

詳構造物の模型である。模型は、長さ1m、 幅0.125m のロワーノ\ノレと、 長さおよび幅が oω4mの角に丸みをもった正四角柱とブレーシンク。により複雑に構成されている。 Fig. ^7. 3は、12本のフーティング付カラムで、支持されたフーティング付カラム形式海問斉 逮防の模型であり、船品位刻:新知庁の完旬或実験で使用したPOSEI∞N号の1/14.3縮尺模 型である。図中に、実才約〉寸法を合わせて間瓜書きで示してしも。

実験は、 これらの模型をtffUJ計を介して剣先台車に固定し、静水中を則元台車で走仔す ることにより行った済改印〉流入角χは、TLP形式海f幹部室防の場合は、 模型の中JC_軸に 対して左右・前後に支捌てであるため ぴ"-'450 の範週で変更した一方、 ロワーノ\ノしイ寸カ ラム形式海洋手記劃均およびフーテイング付カラム形式海i鞘あ創勿の実験では、前後と左右 て濃型の形状が異なるため、 χをぴへ9ぴの範囲で変えた。

計調|原目は、本支型全体に加わる流体力を模型上部に取り付けた検力計で計損Ijする共に曳 が嘘度Uを計測した実験を行ったレイノノレズ数の範囲は、カラム直径を代表長さとする と、12から15.3 ^X 10-lの間である。

7.1.2推算値と実演uí直の比較

7.1. 2.1 T印形式海洋構造防

112形式海桝高劃模型は、4 本のカラムと角lこ角みの付し\わk平角柱部材により構成 されてしも。カラム単独の抗力は、 レイノルズ豪濯を考慮、して2次元円柱としての抗力係 数をSchlichtingの図σig.4. 1)から求める。実験を行ったレイノルズ数の範囲で、は、 レイ ノルズ数の景タ警はほとんど、なく抗力係数は1.2 で一定値となる。次に、 これにFig.2.6か ら3次元影勧〉修正を施七修正係数は0.58となり、3次元景簿を修正した抗力係数は、

約0.7 となる。

一方、水平角間日材単独の抗力係数は、 角に丸みがなし1場合はTable2.2から2.05 と推 定されるが、 角lこ夫みを持った場合は角のJ:lh-の景濯により渦の巻き込み尉後方に移動 するため抗力係数凶政þする。この景濯を、Fig.2.51 により考慮了すると、水平角柱制オの 抗力係数は1.08 となる。水平角間H材には、端同こ直径の大きなカラムが接合されてしも ので端部影響はなし\として2次元部材と考える。水平角本団財は、鉛直円柱と異なり流体 力係数に方向性を持つため流れの流入角χにより流体力が異なる。この影響を考慮した 抗 力係数CDB xは、Cross flow dragを仮定すれば次式与がら求めることができる。

C DBx = Cf)BO COS X.3 (7.1)

-・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・圃圃圃圃

なお、CDæは χ=ずの時の角柱部財の抗力係数である。

カラム間の干渉効果は、まず、第2章で示したZedむ:lra訂avo叩okoωov札山i比C出hの円昨十主訪がミ汗千

の後流側円柱の抗力係数σ例i各υ3.3刀)を基に後流側円柱の抗力跳Lか、率を求めるo Fig. 7. 4は、

Fig. 3. 3から耐ω流入角χによるTLP形式海桝蕎溜妨莫型の中'L"由に平行に並ぶカラム の内、後流側のカラムの抗力減少率を示したものである。 後流側円柱の抗力は、流入角度 締役L、に付し\た場合には、僅かに負の抗力が生じ、 χ弓。以仁では、 χの士勧日lこ伴って抗 力係数は大きくなる。また、模型の中，L軸に対して対角線方向の カラムの抗力についても

χが大きくなれば干渉が生じ、 χ=450 で対角紋仁のカラムが流れに対して直角に並び干 渉影響は最大となる。同様に、Fig.7. 5に Fig. 3. 3から求めた模型の中'L軸に対して対角 線方向の後流側円柱の抗力係数のj郎、率を示す。なお、2本の円出ミ備もに対して平行に 並んだ場合は、閉塞効果による抗力の増加を無視することが出来ないため、この影響を Fig.3.2から55IHこ考慮する。 閉塞効果による横に並んだ2円柱の抗力士首加は、 χ=0。の場 合は1.15倍、 χ=4デの場合は1.05倍となる。

Fig.7.6に流入角χがぴの場合の抗力係数の実験値と推算値の此鍛を示す。横軸は、カ ラムの直径を代表長さとした時のレイノノレズ数で、あるO推算値と実演l}f直は非常に良く一致 している。今回の実縦E囲では、抗力係数にレイノルズ数の影響は見られず一定値となっ た

Fig. 7. 7 にお官以〉流入角χによる抗力係数の変化を示す。図中の実験値は全実験データ の平均直である。抗力係数は、χが大きくなるに従って大きくなる。単純にCross flow drag のみを考えて抗力を推算す寸Uま、χが大きくなるに伴って流れ方向の抗力係数は小さくなる はずであるが、そうはならないのは、円相指の干渉効果により後流側のカラムの抗力が小 さくなるが、この影響が流*1)7)流入角が付くことにより小さくなるためである。図中の実 線は、3次元景怨と相互干渉開併すべてを考慮して推算した抗力イ隷女であり、石脳集は 3 次元影響のみを考慮して推算した抗力係争灯=ある。 相互干渉影響を考慮しなし場合は、 χ が小さい場合に400/0近く大きめの推算値を与え、カラム聞の相互干渉影響を組み込むこと で抗力係数の推算精度がかなり向上することが分かる。

カラム峨値円柱制オであり、流体力に 方向性を持たなし\ため備工方向に対して直角方 向の定常力(定常横力と呼ぶ)は生じなしが、水平1971<角柱部財は、街ω流入角χの変 化によって定常横力が生じる。 定制黄力Cm)土、cross flow dragの仮定の下、次式で求 めることができる。

CTBx = C DßO sin l' COS 1'2 (72)

模型に対して定常冴的刀流入角χが付し1た場合の定常横力係数C7B xの実験値と2次元の 117

ーーーーニニ 三三三竺竺竺�

角柱部材の抗力係数CDæから(72)式を用いて求めた推算値との比較をFig.7.8に示す。実 験(直に若干のパラ付きが見られるが、実験値と推算値は良く一致しており、定制策力が水 平角柱音i財のみで生じ、cross flow dragの仮定から求められるとする考え方が正しし\こ とを示している。

本書命で示した粘出m体力の地主は抗力についてのみであり、揚力係数については示して いなし、しかしながら、渦捌辰等の品鳴を検討する上で揚力俄妨消噛となることも有り

得る。 T日形式海f戦記劃効莫型については、冴誌もと直角方向の揚力lこイ寸し\ても計測してい る。 揚力について、若干の計調、ザ、ータの紹介と考察を行う。Fig.7. 9に定制荒中の揚力係

数の実験結果を示す。揚力係数は約0.05であり、第2章で示した3次元円柱単独の揚力係 数の02よりかなり小さくなる。 これは、カラム一本一本に働く揚力iコントさくないが、4 本のカラムに働く揚力の位相件前うことがないことによるものと思われる。 また、揚力係 数の無次元化に角柱部の投影町責を含んでし\ることによっても小さくなってしも。 また、

定常j剤1刀流入角χによって揚力係数は変化してし\なし冶T印形式海洋構造防の場合、揚 力係数は0.05と非常�JJ，さく揚力による振動は工学右ワにほとんど、品曜にならなし\と思われ る。

7.1. 2. 2 ロワーハル付カラム形式海洋構造物

ロワーノV川寸カラム形式海淵溝i劫の模型は、2つの大きなロワーノVレ(Y97k矩矧ì) と6本のカラム(角に夫λLのついた鉛直角柱〉と13本のブレ)シング(円柱つから構成 され、前述の1LP形式海f判記封幼莫型に比べてカなり複雑な構造となっている。模型を、

Fig. 7. 10のように要素分害庁する。宇佐算に用いたカラム部分の抗力係数のχによる変化を Fig. 7. 11に示す。角柱制オは、円柱の場合と相違U涜体力係数に方向性を持つため、 まず

この影響を考慮する必要がある。 角に丸みの無いシャープな角を持つ2次元角柱の抗力係 数をTable2.1から2.05とし、この円柱が450鴎云した場合の角柱の抗力係数を同じく Table2. 1から1. 55とする。 χがぴおよび900 の時に抗力係蜘i動てとなり、4デの時 に最小になると仮定し、最小自乗法で、この角度変化による3つ抗力係数の聞を滑ら州こ補 間する。 さらに、カラム部の角柱は角に丸みを持っているためこの影響剖!彦正する必要が ある。角の夫みσ三影響を Fig.2.51により考慮すると、χ=00の場合の抗力係数は約1.0 となる。 ロワーノ\ノレの抗力は、χがO。 と9ぴの場合の抗力をFig.2.51 とFig.2.52から 求め、cross flow dragを仮定して流才1)7)流入角影響を考慮した。 χ=900 を基準として cross flow draεを仮定して抗力係数の府ω流入角景簿を求めるとχ=0'。付近で不連続