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自由水面流 中の変形 を伴 う物体 に作用す る流体 力の数値計算

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Academic year: 2022

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(1)応 用 力 学 論 文 集Vol.11,pp.799‑806(2008年8月)土. 木学会. 自由水面流 中の変形 を伴 う物体 に作用す る流体 力の数値計算 Numerical. simulation. of fluid forces acting on objects deformed in free surface flows 黒 田. 望*・. 牛 島. 省**. NozomuKurodaandSatoruUshijima *学 生 会員 京都 大 学大 学 院 社 会基 盤工 学 専攻 修 士課 程(〒615‑8540京 **正 会 員. 工博. 京都 大 学大 学 院 准教 授 社 会基 盤 工学 専攻(〒615‑8540京. 都 市 西京 区京 都大 学 桂Cク. ラス タ). 都 市 西 京 区京都 大 学桂Cク. ラス タ). A computational method has been proposed to predict the interactions between free-surface flows and elastic bodies submerged in the flow. A solid model, whose deformations due to fluid forces are solved with a finite element method, is introduced into the MICS, which is a computational method for incompressible multiphase fields. A solid object submerged in the flow is divided into multiple tetrahedron elements, through which fluid-solid interactions are taken into account using a tetrahedron sub-cell method. The experiments on the wave flows acting on a partly submerged elastic plate were carried out in a laboratory flume in order to confirm the applicability of the proposed numerical method. The fluid forces acting on an elastic plate and its deformations were measured. The developed computational method was applied to the experimental results and the fluid forces and the deformations of the plate were compared with calculations. As a result, it was shown that the experimental results are adequately predicted with the present numerical method. Key. 1.は. Words:. fluid-solid interaction, free-surface flow, fluid force, FEM, MICS. じめ に. 点が 多 い.そ こで,著 者 らは有 限要 素法 に よ り物 体 変 形 の 計算 を行 うT型FEMモ. デル5)を 導 入 し,弾 性 係. 数 な どの一般 的 なパ ラメー タを使用 す る計 算 手法 を提. 各種 の 工学 的 な問題 にお いて,流 れ の影 響 を受 け て 変 形 す る物 体 の 動的 挙動 や,流 れ と物体 変形 の連成 作. 案 した.T型FEMモ. 用 を把 握 す るこ とは重要 な課 題 で あ る.水 工学 分野 に. 合 と して表現 し,物 体 間の衝 突 判 定 に は接 触 判定 球 を. お け る具体 的 な問題 として は,出 水 時 の植 生形 状 の変. 用 い る数 値 モデ ルで あ る.既 報5)で は,四 面 体1次 要. 化 や,ラ バ ー ダム等 の水理 構 造物 の変 形 な どが あ る.. 素 を用 いたT型FEMモ. 流体 と構 造 物 の連成 問題 に対 す る数値 的 な検 討例 と. デル は,物 体 を四面 体要 素 の集. デ ル を導 入 し,加 振 水槽 内に. お け る弾 性板 の 変位 を計算結 果 と比較 して,弾 性 体 の 変形 に関す る適用 性 を確 認 して い る.. して は,一 様 流 中 にお け る1自 由度 あ るいは2自 由度. 本報 で は,物 体 変 形 に関 す る計算 精 度 を 向上 させ る. の弾性 円柱 の振 動 を扱 う数 値 計算1)や,弾 性 変形 を伴 う物体周 りの数値 計算2)な どが あ る.既 往研 究例 で は,. た め,四 面体2次 要 素 を用 い るT型FEMモ. 扱 われ る物体 形 状 は比較的 単純 で あ り,自 由水 面 が存. た に導 入す る.既 報6)にお いて,著 者 らは剛体 に作用 す. 在 す る流 れ に お ける,多 自由度 の連 成解 析 の例 は比較. る流 体 力の検 証 を行 ったが,変 形 す る物 体 に対 す る流. 的少数 で あ る.さ らに,流 体 力 に よっ て変形 す る物 体. 体 力 の計 算 とその妥 当性 が検 討 され た例 は少 な い.そ. に作用 す る流 体 力の 数値 計算 とそ の検証 が 行 われ た例. こで,本 報 で は,波 動流 れ に よ り変形 す る弾性 板 に作. は少 ない.. 用 す る流 体 力 を計 測 す る実 験 を行 う.こ の実験 で 得 ら. 本研 究 で は,自 由水 面 流 中 にお いて,流 体 力 に よ り 変 形 す る多 自由度の複 雑 形状 物体 と流体 の連 成 解析 を. デ ル を新. れた流 体 力 を計 算結 果 と比較 し,変 形 を伴 う物 体 に作 用 す る流 体力 に対 す る解法 の 妥 当性 を検 討す る.. 行 う数 値解 法 につ い て検討 を加 え る.既 報3)で は,多 相 場 の解法 で あ るMICS4)に,物. 体 を四面体 要 素 で表. 2.数. 現 し,各 節 点 を ダンパ付 きのバネ で接 続 す るT型 質点 バ ネ モデ ル を導 入 した.こ のモ デ ル は,数 値 的 に安 定. 値解析 手 法. 任 意形 状 物体 を含 む計 算領 域 にお い て,3次. 元 自由. で取 り扱 い が容 易で あ る反面,ダ ンパ の減衰 係 数や バ. 水 面流 れ の計 算 を行 うに は,物 体 形 状 の取 り扱 いが問. ネ定数 な どのパ ラメー タの決 定 が試 行 的で,不 明確 な. 題 とな る.本 報 で は,物 体 を含 む流 れ場 を取 り扱 うた. ―799―.

(2) め に,多. 相 場 の 解 法 で あ るMICS4)を. 用 い る.こ の 解. は,各. 四 面 体 を頂 点 の み の4節. 子 によ って計. め,形. 状 関 数 は1次. 法 で は,物 体 よ り も十 分 小 さ いEuler格. 点 で 表 現 した.そ. の 項 の み で,剛. のた. 性 マ ト リ ッ クス の. 算 セ ル が 構 成 さ れ て お り,計 算 セ ル に 含 ま れ る 物 体 体. 作 成 段 階 で 数 値 積 分 の 必 要 が な く,取. 積 に基 づ き,物 体 の 動 的 挙 動 が セ ル の 代 表 値 に反 映 さ. あ っ た.一 方 で,変 形 を再 現 す るに は細 か く要 素 分 割 す. れ る.場 全 体 を 一 流 体 モ デ ル に よ り計 算 し,そ の 結 果. るか,弾. か ら物 体 に 作 用 す る流 体 力 が 算 出 され る.. 点 数 の 増 加 に よ る構 造 計 算 の 負 荷 の 増 大,再. 性 係 数 を 実 際 よ り小 さ くす る 必 要 が あ り,節 現性 な ど. の 点 が 問 題 とな っ て い た.. 物 体 に作 用 す る流 体 力 か ら,物 体 の 変 形 や 運 動 を 計 算 す る段 階 で は,2次. り扱 い が 容 易 で. 今 回 導 入 した2次. 要 素 モ デ ル で は,物 体 を 図‑1に 示. す よ う な 四 面 体2次. 要 素 に よ り表 現 し て い る.中 間 節. 要 素 を用 い る 有 限 要 素 法 に よ って. 計 算 す る 固 体 モ デ ル を 導 入 す る.. 点 の 追 加 に よ り,少 な い 節 点 数 で も変 形 を 再 現 す る こ 2.13次. 元 自由水 面流 れ の計 算法. とが 可 能 と な っ て い る.. 混 ざ り合 わ な い 複 数 の 非 圧 縮 性 流 体 か ら構 成 され る 場 に 対 す る基 礎 式 は,以 存 則,非. 圧 縮 条 件,保. 下 のEuler表. 記 に よ る質 量 保. 存 形 表 示 され た 運 動 方 程 式 の3. 式 で あ る4).. (1) (2). (3) こ こ で,ρ,μ,pは. 順 に計 算 セ ル 内 の 体 積 平 均 操 作 に. よ っ て 求 め られ る密 度,粘. 性 率,圧. 力 で あ る.ま た,ui. は セ ル 内 の 質 量 平 均 に よ り算 出 さ れ るxi方 分 で あ る.tとxiは 分 で,fiは. 向の流速成. 外 力 の 加 速 度 成 分 を表 す.体. 積 平均 また は. 内 に 物 体 が 占 有 す る体 積 を 求 め る際 に は,四. 体 の動 的応答 の基 礎 式. T型FEMモ. 面体 サ ブ. デ ル で は,図‑1の. よ うに 物 体 を 四 面 体. 要 素 に 分 割 し,そ の 各 節 点 上 に 変 数 を定 義 す る.本 で は,形. ロ ケ ー ト格 子 を 用 い る非 圧 縮 性 流 体. 計 算 法8)と 同様 で,予 階 の3つ. 2.3物. ル. 用 い る.. 計 算 手 順 は,コ. 面 体 要 素 と節 点. 時 間 と3次 元 直 交 座 標 系 の 座 標 成. 質 量 平 均 は 各 流 体 計 算 セ ル ご と に定 め られ るが,セ. セ ル 法7)を. 図‑1四. 測 段 階,圧. の 手 順 か らな るMAC系. 力 計 算 段 階,修. い る場 合 に は,計. 面 体1次. れ に 対 し て,2次. 含 まれ る物 体 体 積 を 算 出 し,体 積 平 均 さ れ た 物 性 値 等. 素 を 利 用 す れ ば,よ. を 求 め る.予 測 段 階 で は,陰. 体 の 変 形 を 計 算 す る こ とが 可 能 とな る.. 的 解 法 で あ るC‑ISMAC. 法 を使 っ て セ ル 中 心 で 流 速 の 推 定 値 を 求 め る.圧 算 段 階 で はC‑HSMAC法. 自 由水 面 形 状 は,式(1)を. 量 マ トリ ッ ク スMと. ス キ ー ム で 解 い て 求 め る.. 程 式 が 動 的 応 答 の 基 礎 式 とな る.. よる物体 変 形 の計算. 本 研 究 で 用 い たT型FEMモ. 各 節 点 の 加 速 度 成 分 か ら構 成 され. れ に 弾 性 力,減 衰 力 お よ び 加 振 力(外 力)を 考 慮 した 方. 各 節 点 の3次 2.2FEMに. り少 な い 四 面 体 要 素 に よ り,弾 性. る加 速 度 ベ ク トル との 積 に よ り慣 性 力 が 定 義 さ れ,こ. 方 程 式 の 数 値 解 を 求 め る. 数 値 拡 散 を 抑 制 す る保 存 形. 要. 有 限要 素 法 に よ る連 続 的 な弾 性 体 の動 的 計 算 で は,質. 力計. を 利 用 し て,BiCGSTAB法. に よ り圧 力 変 化 量 の連 立1次. 要 素 を用. 算 対 象 とな る物 体 を 多 数 の 四 面 体 要. 素 に よ り表 現 す る 必 要 が あ る.こ. よ り,計 算 セ ル に. 報. 関 数 で 表 され る,四 面 体. 2次 要 素 を 利 用 す る こ と と した.四. 正段. 解 法 が 用 い られ て い. る.最 初 に,四 面 体 サ ブ セ ル 法7)に. 状 関 数 が 座 標 の2次. れ ば,物. デ ル で は,多. 相場 の解. 元 変 位 を成 分 とす るベ ク トル をdと. 体 の 動 的 挙 動 に 関 す る 支 配 方 程 式 は,次. す 式で. 与 え られ る.. 法 に 有 限 要 素 法 で 物 体 変 形 を 求 め る固 体 モ デ ル を導 入 し て い る.既 報5)に お い て 導 入 した1次. (4). 要素 モデ ルで. ―800―.

(3) こ こで,上. 付 の ドッ トは 時 間 微 分(2つ. 微 分)を 表 し,Cは リ ッ クス,feは. の ドッ トは2階. 減 衰 マ ト リ ッ ク ス,Kは. 剛性 マ ト. 流 体 力 な どの 外 力 ベ ク トル で あ る.質. 量 マ ト リ ッ ク スMの. 要 素 は,一 般 に 物 体 の 密 度 ρbに. 形 状 関 数 を 乗 じて,こ. れ を 四 面 体 要 素 内 で 積 分 して 得. られ た 行 列 か ら構 成 さ れ る.本 報 で は,集. 中質量 を対. 角 要 素 とす る集 中質 量 マ トリ ッ ク ス を用 い る. 式(4)の. 減 衰 マ ト リ ッ クスCは,質. と同 様 に,減. 量 マ ト リ ッ クス. 衰 係 数 と形 状 関 数 の 積 を 要 素 内 で 積 分 し. て 得 られ た 行 列 か ら構 成 され る.本 報 で は,集 マ ト リ ッ クス と 同様 に,対. 中質 量. 角 行 列 と し て 表 さ れ る減 衰. マ ト リ ッ ク ス を 利 用 す る. 動 的 応 答 の 基 礎 式 で あ る式(4)を. 時間 積分 す る こ と. に よ り,節 点 の 速 度 と変 位 の3次 元 成 分 が得 られ る.時 間 方 向 に は,差 分 法 を 用 い て 離 散 化 を行 う.本 報 で は, 次 式 の よ う に,オ. イ ラ ー 陽 解 法 を 用 い てn+1ス. プ の 節 点 の 速 度 ベ ク トルdを. 図‑ 2物. 求 め る. T型FEMモ. (5) 節 点 の 変 位 は,次. 体 に作 用 す る流体 力 の評 価 方法. テッ. 式 の よ う に,式(5)に. FCkmを. 記 の よ う に して 得 られ た. 各 節 点 上 の 流 体 力 に 変 換 す る.図‑2に. う に,式(7)か. 完 全 陰解 法. デ ル で は,上. ら得 られ るFCkmに. 対 して,セ. 示すよ ル 中心. か らの 距 離 の 逆 数 に 相 当 す る重 み 付 け を 行 い,こ. を用 い て 求 め られ る.. 四 面 体 節 点 上 の 流 体 力FCkmjと. (6). あ る 節 点 に対 して,そ. れを. す る(j=1,…,10).. の節 点 を含 む全 ての 四面 体要 素. と,そ の 要 素 を含 む 流 体 計 算 セ ル に対 し てFCkmjの 2.4物. 体 に作 用す る流 体 力の算 定. T型FEMモ. 和 を 求 め,そ. デ ル で は,四. 面体 要 素 の節 点上 の流 体. 力 を 求 め る必 要 が あ る が,最. 初 に物 体 を構成 す る四面. 2.5物. 体 領 域 に 作 用 す る流 体 力 を 以 下 の よ う に して 計 算 す る. 2に,流. 四 面 体 要 素 は10節. のm番. 点 で 構 成 さ れ て い る が,こ. の 多 相 流 体 が,セ. 目 の 四 面 体 要 素Tkmあ. 積 △TCkmに. 体 運動 による流 体 への 影響. 場 に反 映 され る.図‑3に. その 概 要 を示 す.あ る流 体 計 算. こ で は4. 示 す よ う に,流. 体. ル 内 に 含 ま れ る物 体k るい は その一 部 分 の体. 及 ぼ す流 体 力 をFCkmと. 成 分 をFiCkmと. す る.. 要 素 を用 い て い る た め 各. 節 点 で 概 略 的 に 示 して い る.図‑2に 計 算 セ ルC内. 辺 の 外 力feと. 物 体 の 動 的 応 答 計 算 の結 果 は,次 の よ う に して 多 相 流. 体 計 算 セ ル と物 体 を構 成 す る四 面 体 要図‑ 素. の 関 係 を 示 す.実 際 に は,2次. の 結 果 を式(4)右. 総. し,そ のxi方. 向. 表 す.. kmは,四 面体 FiCサ ブ セ ル 法7)に よ り求 め られ た △TCkmと 物 体kの 密 度 ρbkを 用 い て,次 式 か ら求 め ら れ る.物 体 に 作 用 す る流 体 力 は,圧. 力 と粘 性 応 力 を 作. 用 す る面 で 面 積 積 分 す る こ とで 得 られ るが,MICSで は ガ ウ ス の 発 散 定 理 に基 づ き,多 相 場 の 計 算 に よ り得 られ た 圧 力 勾 配 項 と粘 性 拡 散 項 を体 積 積 分 す る こ とで 流 体 力 を計 算 す る 。 図‑ 3物. (7). セ ルCに. ―801―. 体 の動 的 挙動 を 多相 場 に考慮 す る方 法. 対 して,そ. れ に 含 ま れ る 物 体kの. 四面 体要 素.

(4) Tk mを 選 択 す る.式(5)よ. り得 られ た 要 素Tkmの. の 速 度 ベ ク トルdをvkmjと これ らの 和 を1/10倍 トルvkmと. 節 点j. す る と き(j=1,…,10),. した 結 果 を 四 面 体 要 素 の 速 度 ベ ク. 近 似 す る.着. 目 した 流 体 計 算 セ ル に含 ま れ. る全 て の 四 面 体 要 素 に 対 し て こ の 処 理 を 行 い,次 りセ ル 内 の 質 量 平 均 流 速uを. 式よ. 定 め る.. (8) こ こで,mCとmfは,そ. れ ぞ れ 着 目す る流 体 計 算 セ ル. 内 の 全 質 量 お よ び 気 相 と液 相 の 質 量 で あ る.ま. 図‑5弾. た,uf. は 気 相 と液 相 の 混 合 体 の 流 速 ベ ク トル で あ る.. 高 さhpは100mm,幅 は10mmで. 3.水. 性 板 の 概 要 と計 算 モ デ ル. 理 実 験 と解 法 の 検 証. ωpは30mmで. あ る.支 持 板 は 幅15mm、. さ280mmで. 性板 に作用 す る流体 力 の評価. 波 水 槽 内 で 自 由 水 面 流 れ を 発 生 させ,弾 る流 体 力 を 計 測 す る実 験 を行 っ た.こ 算 結 果 と比 較 す る.図‑4に. 性 板 に作用 す. に 弾 性 板 の概 要 と計 算 モ デ ル を示 す.実 は,PCで. 験 水槽 左端 に. 動 作 が 制 御 可 能 な電 動 ス ライ ダ に 取 り付 け ら. い た 弾 性 板 の 高 さh'pは90mmで. ス 上 部 で 自 由 水 面 流 れ と な る.ボ. ック. ッ ク ス 上 部 に は,鋼. 製 の 支 持 板 で 上 部 が 支 え られ た 弾 性 板 が 設 置 さ れ て い る.弾 性 板 の 下 端 とボ ッ ク ス 上 面 に は約15mmの. 隙間. 持板. あ る.. ボ ッ クス 左 端 か ら弾 性 板 中 心 ま で の 距 離 は約0.1mと した.支 持 板 上 部 に は,共 和 電 業 製 の 歪 み ゲ ー ジ(KFG‑ 2N‑120‑C1‑11)を. 軸 方 向 に4枚. 貼 り付 け,そ れ らの 出. 力 をセ ンサ イ ン タ フ ェ イ ス(同 社 製PCD‑300AS1)で. れ た 造 波 板 が あ る.ま た,水 槽 右 端 側 に は,ボ ッ クス が 固 定 さ れ て お り,造 波 に よ り発 生 した 波 動 は,ボ. あ る.計 算 で は,支. の 下 端 で 弾 性 板 が 固 定 され て い る と仮 定 し,計 算 で 用. の実験 結 果 を計. 実 験 水 槽 の 概 略 図 を,図‑5. 高. 止 状 態 に お け る弾 性 板. の 水 被 り高 さh2は35mmで. 上 記 で 述 べ た 数 値 解 法 の 適用 性 を 確 認 す る た め,造. 厚 さ2mm、. 、 鋼 製 で あ る。 支 持 板 と弾 性 板 の 重 な り. 部 分 の 長 さ ん1は10mmで,静 3.1弾. あ り,板 厚bp. り込 み,こ した.な. れ に接 続 し たPCに. お,収. デ ジ タ ル 値 と して 収 録. 録 した デ ー タか ら支 持 板 の 固 有 振 動 を. 除 去 す るた め,弾. 性 板 を 自由振 動 させ た ときの時 系列. デ ー タ を 求 め て,こ ウ幅 を定 め た.取. を 設 け て い る.. 取. れ を 消 去 す る移 動 平 均 の ウ イ ン ド. 得 し た デ ー タ に は,得. られ た ウ イ ン. ドウ 幅 の 移 動 平 均 を作 用 させ た. 実 験 で は,ボ. ッ ク ス 左 端 か ら造 波 板 側0.1mの. に お け る最 大 水 深 をhmと. 定 義 し,3種. 類 のhmに. る実 験 条 件 を 定 め た.hm=185,191,195mmと 造 波 条 件 の 実 験 を 行 い,最. 位置 関す なる. 初 の1波. か ら生 ず る 自 由 水. 面 流 れ に よ る流 体 力 を計 測 し た.同. 時 に,弾 性 板 が 変. 形 す る様 子 を 側 面 か ら ビ デ オ で 測 定 し,ビ デ オ 画 像 の 解 析 に よ っ て 弾 性 板 の 変 形 量 を 求 め た.. 3.2計. 算 結果 との比 較. MICSに. よ る計 算 条 件 で は,水. む領 域 に対 して,140×19×25の 図‑ 4造. 波 水 槽 の 概 要(上=側. 面 図,下=平. メ ッ シ ュサ イ ズ は 各 方 向 に1cmと. 面 図). 増 分 △tは ケ ー スH185,H191に 秒,ケ. 水 槽 全 体 の 長 さ(L1+L2)は1.4mで ス 部 分 の 長 さL2は0.7mで さhbは0.1m,水 期 水 深h0は0.15mと と な っ て い る.弾. あ る.ま. 槽 幅Bは0.19mで し,ボ. あ り,ボ た,ボ. ック. ッ クス の 高. あ る.ま. た,初. 重 は0.255,. 計 算 セ ル を 設 定 した 。 な っ て い る。 時 間 お い て は5.0×10‑4. お い て は8.0×10‑4秒. と して,実. 験 と 同 じ初 期 水 深 の 静 止 状 態 か ら非 定 常 計 算 を行 っ た. 造 波 条 件 は,造. 波 板 の 速 度 と同 様 の 流 速 を 計 算 領 域 左. 端 面 に 与 え る こ とで 模 擬 した. 四 面 体 サ ブセ ル 法 に お け る サ ブセ ル 分 割 数 は,3次. ッ ク ス 上 の 水 深 が50mm. 性 板 は ス ポ ン ジ 製 で,比. ー スH195に. 槽 内 の 空 気 部 分 を含. 元 の 各 方 向 に5と. ―802―. し,1つ. の 流 体 計 算 セ ル に 対 して125.

(5) の サ ブ セ ル を 設 定 し た. 計 算 で は,水 10‑6お. と空 気 の 動 粘 性 係 数 を そ れ ぞ れ1.0×. よ び1.0×10‑5m2/sと. の 密 度 は,そ た.弾. き い こ とに よ る と考 え られ る.ま た 、 これ は流 体 力 が. した.ま. れ ぞ れ1.0×103お. た,水. 最 大 とな っ て い る時 刻 とほ ぼ 同 じで あ る 。. と空 気. よ び1.0kg/m3と. し. 性 板 の 密 度 は実 験 模 型 と 同 じ値 と し た.. 弾 性 板 を構 成 す る 四 面 体 要 素 数 は184で 数 は441で. あ り,節 点. あ る.弾 性 板 の ヤ ン グ 率 を実 験 で 求 め た3.5. ×105Paと. し,単 位 体 積 あ た りの 減 衰 係 数 は ケ ー ス. H185,H191に. お い て は実 験 よ り求 め た2.0×103N. s/m/m3を. 用 い,ケ. ー スH195に. お い て は数 値 発 散 を. 防 ぐた め に2.0×104Ns/m/m3と. し た.こ. 件 の 下 、 造 波 板 の 移 動 開 始 時 刻 をt=0と. れ らの 条. して 、 計 算 を. 行 った。 計 算 で 得 ら れ た 最 大 水 深hmと 表‑1に. 実 験 条 件 との 比 較 を. 示 す.既 報7)に お い て 、本 手 法 で 自 由水 面 流 れ. が 再 現 で き る こ とは 確 認 さ れ て い る。 本 実 験 で も、 最 (a)ケ. ー スH185. (b)ケ. ー スH195. 大 水 深 に つ い て 実 験 と計 算 で 比 較 した と こ ろ 、 ほ ぼ 同 じ値 とな っ た 。 表‑1実. 験 と計算 にお け るhmの. 図‑ 6に,弾. 性 板 先 端 のx方. す.ケ ー スH185で. 値(単 位mm). 向 変 位dtの. 時 系列 を示. は,第 一 波 に よ る変 形 は十 分 に再 現. で き て い る こ とが わ か る.ケ ー スH195で. は実 験 結 果. よ り計 算 結 果 が 小 さ くな っ て い るが,こ. れ は,数. 値発. 散 を 防 ぐた め に 粘 性 係 数 を 実 際 の 値 よ り大 き く取 っ た こ とが 原 因 と考 え られ る. 弾 性 板 に 作 用 す る最 大 流 体 力Fwmと 基 準 とす る最 大 水 深 ωb(=hm‑h0)の す.波. 高 が 増 加 す る に つ れ,最. 図8に,各. 関 係 を図‑7に. 図‑ 6弾 性 板先 端 変位 の時 系列. 示. 大 流 体 力 は増 加 す る.. ケ ー ス に お け る弾 性 板 に 作 用 す る流 体 力. Fω を 示 す.本 力 成 分Fω. 初 期 水 深h0を. 実 験 計 測 シ ス テ ム で は,x軸. の み が 得 られ る.図‑8に. 方 向の流 体. 示 さ れ る よ う に,. 実 験 結 果 と計 算 結 果 を 比 較 す る と,流 体 力Fω. の最 大. 値 は ほ ぼ 一 致 し て い る.計 算 に よ り得 られ た 時 系 列 の 全 体 的 な 分 布 形 状 は,実 験 結 果 と ほ ぼ 一 致 して い る と 考 え られ る. 9,図‑10,図‑11は 図‑ を 示 す 計 算 結 果 で あ る.波. 各 ケース の弾性 板周辺 の流 況 が 到 達 す る に つ れ て,弾. 板 が 変 形 す る様 子 が 再 現 され て い る.同 時 に,ボ ス 表 面 か ら鉛 直 上 方7mmと29mmの. 性 ック. 位置 にお け る. 渦 度 の 絶 対 値 の 水 平 分 布 を 示 し て い る.弾 性 板 の 位 置 で の 水 深 が 最 大 とな るt=0.90〜1.05(s)付 度 の 集 中 が 明 瞭 に現 れ て い る.こ れ は,速. 図‑ 7Fωmと. 近 で は渦 度 勾 配 が大. ―803―. ωbの 関 係.

(6) (a)t=0.75(s). (a)ケ. ー スH185. (b)t=0.90(s). (b)ケ. ー スH191. (c)t=1.05(s). (d)t=1.20(s) 図‑9自. 由 水 面 流 れ と弾 性 体 の 変 形 の計 算 結 果(ケ ー スH185,等. 高線 は渦度 の絶. 対 値 の 水 平 分 布 を表 す。 最 大 値:46.5 s‑1,最 小 値:Os‑1,間 (c)ケ. 図‑8流. ー スH195. 体 力 の時系 列. ―804―. 隔:4.65s‑1).

(7) 図‑10自. (a)t=0.75(s). (a)t=0.75(s). (b)t=0.90(s). (b)t=0.90(s). (c)t=1.05(s). (c)t=1.05(s). (d)t=1.20(s). (d)t=1.20(s). 由 水 面 流 れ と弾 性 体 の 変 形 の 計 算 結 果(ケ ー スH191,等. 図‑11自. 高線 は渦度 の. 由 水 面 流 れ と弾 性 体 の 変 形 の 計 算 結 果(ケ ー スH195,等. 高線 は渦度 の. 絶 対 値 の 水 平 分 布 を 表 す。 最 大 値:. 絶 対 値 の 水 平 分 布 を 表 す。 最 大 値:. 64.3s‑1,最. 84.9s‑1,最. 小 値:Os‑1,間. 隔:6.43. s‑1). s‑1). ―805―. 小 値:Os‑1,間. 隔:8.49.

(8) 図‑12は. ケ ー スH191の. 計 算結 果 を渦度 の 絶 対値 の. 鉛 直 分 布 と と も に 示 した もの で あ る.こ の 渦 度 分 布 は, 弾 性 板 の 中心 を通 るxz面. 上 で 描 い た もの で あ る。 変 形. す る 弾 性 板 を 囲 む よ う に渦 度 が 分 布 して い る.ま た,t =0.90(s)の. 時 に 弾 性 板 の 流 下 側 で 発 生 した 渦 が,t=. 1.05(s)で. は下 方 向 に移 動 しな が ら成 長 して い る.こ れ. は,波. の 通 過 後 に 水 面 が 低 下 し,下 方 向 の 流 れ が 発 生. した た め で あ る と考 え ら れ る.水 平 分 布 で 見 ら れ る ほ ど高 い 渦 度 が 集 中 して い な い た め,非 と思 わ れ るが,弾. (a)t=0.75(s). 常 に 弱 い流 れ だ. 性板 の 変形 が戻 る際 に若干 の影 響 を. 与 え て い る も の と考 え られ る.. 4.お. わ りに. 本 報 で は,多. 相 場 の 解 法 で あ るMICSに,四. 次 要 素 を用 い るT型FEMモ. 面 体2. デ ル を 導 入 し,自 由 水 面. 流 れ に お け る複 雑 形 状 弾 性 体 の 変 形 を 予 測 す る解 法 を 構 築 した.こ. の 解 法 の 適 用 性 を 確 認 す る た め,波. 動流. れ に よ り変 形 す る 弾 性 板 の 変 形 と流 体 力 を 計 測 す る 実 験 を 行 っ た.本. (b)t=0.90(s). 果,変. 報 の 解 法 を こ の 実 験 結 果 に 適 用 した 結. 形 が 比 較 的 小 さ い 範 囲 で の 弾 性 板 の 変 位 や,変. 形 す る 弾 性 板 に 作 用 す る流 体 力 に 関 して,ほ. ぼ 良好 な. 再 現 性 が 認 め られ た. 参考 文 献 1) 泉 元, 谷 口伸 行, 川 田裕, 小 林 敏 雄. 円 柱 周 りの3次 動 解 析 (第3報, 文 集 (B編), 2). 弾 性 支 持 円 柱 の 場 合).. Vol.66,. No.644,. 元流. 日本 機 械 学 会 論. pp.1013‑1020,. 2000.. 田 中 嘉 宏, 森 西 晃 嗣, 松 野 謙 一. 弾 性 変 形 を 伴 う物 体 周 り の 二 次 元 非 定 常 流 れ の 数 値 計 算. 日本 機 械 学 会 論 文 集 (B 編), Vol.72,. (c)t=1.05(s). 3). No.718,. pp.42‑49,. 2006.. 牛 島省, 福 谷 彰, 牧 野 統 師, 禰 津 家 久. 3次 元 流 体 中 を 運 動 す る 接 触 と変 形 を 考 慮 した 任 意 形 状 固 体 モ デ ル の 数 値 解 法. 応 用 力 学 論 文 集, Vol.10,. 4). pp.139‑146,. 2007.. 牛 島 省, 山 田 修 三, 藤 岡 奨, 禰 津 家 久. 3次 元 自 由 水 面 流 れ に よ る物 体 輸 送 の 数 値 解 法 (3DMICS). の 提 案 と適 用. 性 の 検 討. 土 木 学 会 論 文 集, Vol.810/II‑74,. pp.79‑89,. 2006. 5) 牛 島 省, 黒 田 望, 禰 津 家 久. MICSと. 有 限要 素 法 に よ る 自. 由 水 面 流 と弾 性 体 の 連 成 運 動 に 対 す る3次 元 数 値 計 算. 水 工 学 論 文 集, Vol.52, 6). (d)t=1.20(s) 由 水 面 流 れ と弾 性 体 の 変 形 の 計 算 結 果(ケ ー ス 且191,等. 自 由 水 面 流 中 の3. 小 値:Os‑1,間. 隔:6.43. pp.955‑960,. 2008.. 7) 牛 島 省, 牧 野 統 師, 禰 津 家 久. 四 面 体 サ ブ セ ル 法 を 用 い る. 高 線 は渦度 の. 市 街 地 に流 入 す る氾 濫 流 の3次 集, Vol.51,. 絶 対 値 の 鉛 直 分 布 を 表 す。 最 大 値: 64.3s‑1,最. 2008.. 次 元 複 雑 形 状 物 体 に 作 用 す る 流 体 力 の 数 値 解 析. 水 工 学 論 文 集, Vol.52,. 図‑12自. pp.1033‑1038,. 牛 島 省, 吉 川 教 正, 米 山 望, 禰 津 家 久.. pp.787‑792,. 元 数 値 計 算.水. 工学 論 文. 2007.. 8) 牛 島 省, 竹 村 雅 樹, 禰 津 家 久. コ ロ ケ ー ト格 子 配 置 を 用 い たMAC系. s‑1). 解 法 の 計 算 ス キ ー ム に 関 す る考 察.土. 論 文 集, No.719/II‑61,. pp.11‑19,. (2008年4月14日. ―806―. 木学会. 2002. 受 付).

(9)

参照

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