浮体式海洋構造物に働く粘性流体力の推定法に関する研究

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九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

浮体式海洋構造物に働く粘性流体力の推定法に関する研究

星野, 邦弘

九州大学総合理工学研究科大気海洋環境システム学専攻

https://doi.org/10.11501/3130915

出版情報：Kyushu University, 1997, 博士（工学）, 課程博士バージョン：

権利関係：

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第8章浮体市毎洋構造物の実機実験による粘性流体力の推定法の検証

浮体均毎年オ斉逮防の耕吾特性は、その流体力勃句特性lこよって大きく変わる。特lこ来古性減衰力の大きさは、向調時の耕岳振幅の最大値に大きく左右するため、その地主は極めて重要である。淘制:髄物の粘出成衰力を理5舶に推定することは践校、あり、自由餅岳試験明飾|属掘試験等を行って実蜘切こ求めているのが現伏である。本書命第4章で並べた様に、粕↑生流体力は尺度による景獲を強く受け、実機と模型とではレイノルズ数の違し\によって粕↑生流体力の特↑生が異なるO したがって、模型実験で得られた粘幽安衰力をそのまま実機に適用する事はできない。また、第5章で池べたように生物付着による表面粗度影響

もレイノルズ数により大きく異なっている。

実機毎、間報宝物の係留設計のためには、j朝6fJJ'こ起因する定常抗力の大きさを賠責もる必要がある。また、建造した海f有蕎造物を設置場所まで、安航する場合には安航剰こ力日わる張力を算定する必要があり、この算定にも定常流れによって海淵翫萱物に働く抗力を知る必要がある。

本書命第7章までに述べてきた流体の粘性に起因する抗力の推算法が、工学的に意味を持っか否州立、実機の浮体式海桝:蕎遺物に作用する抗力を実用的に寸づ士な精度を持って推算できるか否糾こかかっていると言っても過言で、はなし、本章では、運輸}雀W品位矧f研知庁で行った完毎夜実験[80J、[81JT�ータを鰯庁し、実機毎j軒高劃吻の定常および非定常抗力係数を求め、これらと持命で開発した推算法により求めた抗力係数とを此鍛して宇佐算断〉有効性の検証を行う。

8. 1

実海域実験の概要

j軍縦糊段矧間知庁では、プロトタイプの浮体均毎併記萱物内SEI∞N号を建造し 1986年9月から199。年7月にかけてFig.8.1に示した山形県鶴司市由良持、街中合し、3ぬη

の働交で浮体均毎間:髄物の実j旬安寿正実験を戴値した。実蛾実験は、1977年の潜被体渚議会答申「海桝部助の建造に関する関前重要事頁とその期防策につしてJの提言に基づし1て、これまでに砂院開発されてきだ基硝句な要素栃Î'Íをさらに発展させ、沖合いのブ寸てj知或に展開される浮体丙衛戦蕎造物の建設・施工および安全凶向上等の栃fÏO)整

145

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備を図ることを目的とした実観或寿E肝究である。浮体商館幹部自均の長期にわたる総合的な実働英寿疋実験は他lこ例が無く、これまで、に蓄積された浮体商館特高針均の水槽実験法キ哲命言十算法を用し\て完旬食での現象を予測し得るかどうかカ3動ての目的であった

POSEI∞N号は、 3行4列のフーティング付カラム形式の要素浮体で上剖精造物を支持する浮体式講造物である。外観と主要目をFig.8.2とTable 8.1に、実験時の写真を Fig. 8. ₃ �こ示す。実智]支実樹高室協は、日射毎における冬季の波浪の主方向を考慮して西北西に長手方向が向くように設置し、Fig.8.4に示すように波上側4条、波下傾IJ2条の鉄鎖により弛千愛係留された。

実智疾実験のうち、粘凶荒体力に係わる主な実験は、 ①安航実験、②自由意揺誤験の2 つで、あり、@渓験期間中を通して行われた動叡〉計担IJと波浪、風波、流れの計額、IJも流体力の推定精度を総合的に検証する上で極めて重要である。これらの実験法、計測去等につ

いて以下に述べる。

8.2.

定常流中の粘性流体力(曳航実験)

(1)設置前コ対反湾での刻充実験σ'est-1)

POSEI∞N号を匙宣した湖噺から設置臓まで団元する途中、瀬戸内海で刻訴に働く張力を計測した。回却特則元索張力の計測実験は、則元第1日目に友ケ島水道を通過して対坂湾に入った地点寸:句1時間にわたって菊包した。海象ぽきやかで、潮流出量託子方向同華料こ流れてし九刻訴に働く張力の計測法は、Fig.8.5に示すように、則元フックと喫が探受ビームの聞の安航索lこ、張力計を取り付けて計測したこの計調IJ(:却土、曳航索に働く張力を直鼠こ計測するものではなく、図の幾何学右句関係から索張力を求めるものである。この方法は、刻版が左右に樹もなし\ことが耐是条件となってしもが、完納ま曳航索がビーム上を滑って左右に振れ回り張力計に大きな力がかかることもあった。

Fig.8.6に曳船と被安船の配置図を示す。なお、曳航索張力の計調明寺の文抄出産度は4.98kt 巨帥寺の目視による風力断及は1 (0.3'""'"' 1. ₅m/S(ぉ)、波高は0.5'""'"'lmで、あった。

。対散却初頭車充実験σ回-2)

実観疾実験が完了して、内SEI∞N号を撤去・解体するために実験海域から酒田港まで約30Kmを国元中に刻充実験を戴包した曳船側での計視傾目は、力暗度(x、Y、Z)、横揺れ(Roll)、結甘説も(Pi tch)、方位、安航索張力であるo POSEI∞N 号側での計如、11頁目

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は、力団ま度α、Y、Z)、ブライドルの張力、風向・風速およひキ目文ナフk位である。出会しリ皮高は、問SEI∞N号で計測した相対州立からi語力の補正を加えて求めた。また、船首側から2 番目の中央のカラムの底面から1n1の(立置に流速計を取り付けて対水速度を計調IJした。計調!ザータは、曳船とPOSEI∞N 号側で、それ引もで収録し、安庁白からテレメータで同期信号を送ってデLタ聞の「司期を取ったデータのサンフ。リンク潤隔はl秒とした曳船側の張力計の取り付け状況をFig.8.7に刻元中の間SElOON号をFig.8. 8 (こ示す。実験は、速度を変えながらお隼して波浪中の刻加国元を曳船側の索張力計で計測した。

安NG素張力の計測は、大きな張力に耐え、取り扱しめ容易な軽量の検力計が要求される。

使用した検力計は、実験海桝蕎造物の係留に用し\たチェーンと同等品印SF33ωスタッド付き第3種φ5伽mチェーン)のlリンクを用いて、その平行部に歪みゲージを貼って防水力日工をしたものを用いた。検力計は実験前に、引っ張り訴語録幾で、30ぜまでの検定と耐力誌験を行った。

8.2.1

推算値と実演M直の比較

設骨折コ瀬戸内海での刻版裁では、B在な海象↑静良が得られていなし\事や曳M索lこイ動く力を直接計測してしなし等の計測法上の問題があるため、角勃庁結果は参考程度に示すことにし、本主命では、撤却前〉データの角斬をおこ行う。撤却前鴻1f]bJFをFig.8.9に示す。

この斯ï]bJR土、POSI∞N 号に固定した満室計で計測した文ナ水速度と方位のデLータから求めたものでJ釘子ベクトノレで表示している。図中の矢3羽:艮同副旬・風速である。図から安航中は、15'"'-'20kt(7. 7 '"'-' 103 mls氏)の北西風が賄亮していたことが分かる。

角勃庁に用いたデータは、f散却前〉刻充実験で得られたデータのうち、湾外での文.Þ.k速度 2.84kt(1.46m1就)および3.04ki(1.56m1就)で、安航した場合と、波のほとんどんなし千酉田港内でめおま度3.0kt (1.543rn1sc)で剣先した場合の3状態、である。湾外での実際十州和有義波高はそれぞれo.労mと0.72mで、あったこの時の波凶買浪であるため、波向きと風向はほぼ一致していたしたがって風向から波との出会し角は約13デである。

安M索張力には j釣k部lこ働く流れによる抗力の(山こ波浪による樹舟勧日成jと上部構造伽こ働く風による抗力の成分が含まれる。波浪による怒扮勧扮は、水槽実験から求めた波浪中抵抑留力日係数を用いて計算する。Fig.8. 10に水槽実験により求めた安泊芯車度3k1 の場合の波浪中抵加動脈数σバwを示すo波浪中の低出動日は、波高の白熱こ比伊jするものと考え次式で整理した。

147

(5)

σ R-111

.-111ノー _ヲ _「

ρgιv" BL / L (8.1)

ここで、んw附図形勧口、 ( w�士波高、 B�お|直方向の外側のカラム中心間E間在、Lは長さ

方^向の外側の^カラ^ム中心開国佐で^ある。風こ^よって上朗報創刻こ{動^く抗力^は、定常抗力の推算法で示した方法で推算した計測した索張力から、波浪中抵扮酬と風による抗力を

差し引し1て刻印寺の抗力を求める。

実関報室防^の定常?放しに^よる抗力係数例区算^は^、模型実験^の場合^と同じ方法^で行う。ただし、撤却寺の問SEI∞N 号のフーテイングとカラムの197k部lこはかなりの量の生物ポーが^あったため^{、この景箔華}に^よる^表^{面粗度の変化も考慮}^する^必要がある^。 F^ig⁸^{.11 にフーテ} イング、およびカラム部〈の生物寸着の:伏況の写真を示すO主な付着生物は、カキ、アカフジツボ\イガイでその厚みは10'""-'15cm閣支で、あった生物付着の影響は、カラム直径と表面粗度の増加の形で現れる。表面粗度の影響は、第5章で示した英国風荷重基準 (Fig. 5. ¹)に^より推算する^。 Fi^g. 5. ^1でklD=1 X^I0♀^{は、カラ}ム^直径か^ら換算して²cm ^の高さの粗度が一面にランダ、ムに付いている条件である。カラムおよびフーティングの曳航時のレイノルズ数は、それぞれ5.2X ¹⁰6お^よび⁸⁶^. X 106であり、このレイノルズ数の範囲では、粗直円柱の抗力係数はl.09となる。滑面円柱の抗力係委妨納0 .65であることを考

える^と、臨界点を超える^高レイノノレス、数域^で^、の抗力係数^lこ与える粗度影響が州可に大き^し1 カ訪湖卒される。

推算値と実測直の比較をTable 8. 2 �こ示す。実才線局加和レイノルズ数は、設置時て澗 9X106、撤却寺で約5X106となる。刻旗蜘寺のレイノルズ数は、極包臨界側灯、あり2 次元円柱としてのCD�揃0.65となる[78Jo 3次元競齢、よひ午渉影響を考慮して全体の

抗力係数を推算した結果をTable 8. 2中のCal. 1 ，こ示す。粗度影響を考慮しなし場合のC/) の推算値は0.176であり、生物付着による見調、け上の直径の増加と粗度影響を考慮方寸Uまらは0.306と貝績られる。一方、問SEI∞N 号の曳航実験により得られたら同散去時 (TI回�2)で、は、0.48寸.59である。表から推算値(Cal. 1)は実演IJ値よりもし\ず�実験ケース^でも大きい^ことが^分かる^oPOSEI∞N号の円柱直径と円柱間隔比UDは2. 5であり円柱間隔が非常に狭いため、実樹高劃勿が安航方向に対して真っ直く守|けてし1たとすれば、後流側円柱の抗力は前方の円柱の函蔽影響によりほぼ0と推算される。郎EI∞N号は全て円柱要素で構成されてし\るためロワーハノしイ寸カラムで構成される通常の半動kお僻構造物よりも進路安定l:跡悪^く刻胸こは左右^に角劇団る^。したが^って、樹咽^りの景簿に^より 2本の円本主が祝討しに対して直子11に並ばないことになり、後流側の要素浮体の抗力減少率が 2本の円柱が流れに対して直:51Jに並んだ場合より小さくなるものと思われる。参考のため

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に、模型実駒和左右の鮒1周りの時系列デLータをFig. 8. 12 に示す。図から、動てで左右に7�伽の角批L@]りが生じていることが分かる。このことから、 POSEI∞N号の安方lJl寺には則定方向に対して構造物が約lぴ程度傾いていた考えられるので抗対系数の推算値は滑面の場合は0.296、生物付着の景濯を考慮するとo.539 (Cal. 2)となり、実測値とほ'�f -至文する。したがって、フーテインク、付カラム型の海洋ネあ劃勿の曳泊治樹元を推算する場合には、角劇団りによる遮蔽景簿め変化を考慮する必要があると言える。

設置寺の対反湾での計測は、海象条件の詳細が不明であるが、参考のため目視による海象データから有議波高1nl、風速Omとして推算した結果をTable 8.2のTest-lに示す。

対地車度と計測張力の実測値から抗力係数は0.221と見積もられる。設置時と撤却前〉実視灼抗力係数の差は、生物付着による見掛け上の直径の増加と表面粗度の影響と考えられる。

8.3

振動流中の粘性流体力(自由動揺試験)

浮体式海桝蕎造物の運動|蛸巨を推定するためには、橋室井初に作用する外力の特性を托張するよ必要があることはもちろんであるが、j議か↑封Eを左右する最も重要なパラメータは、

橋昌勿の流体力係数、特に減衰力係数で、ある。減衰力係数の内、造波減衰係数はポテンシヤルヲ聾命で求めることができるが、粘性に基づく減衰力的切)を密命的に求めることは現院長では困難であり、静水中の自由動寄埼紛も求める方法がーサ対句で、ある。粘「宙定体力がKeuleg加〈紅penter(Kc)数に依存することから抗力のKc数依存性の評価の難しし\

由意揺誤験に変えて櫛働嬬苅食が用し\られる事もある。粕↑抗体力は、レイノルズ数の影響を強く受けるため、寸支的こl立方定出験の値をそのまま実機に適用することは出来な凡故に、実機における抗力を合理的手法により推算できることは、海?特報劃勿の設計上の大きが隼歩であるとし\える。

実機訴験より浮体式海j制裁蓋物の抗力を求める方法は、①自由毅揺黙動わら求める方法、

G海洋構造防に作用する外力とi語力から抗力を十時する方法が考えられる。前者は、抗力のKc数依存性の取り扱し1減佐しい、後者は海i戦記鞠lこ作用するタト力が正確に分からなし事やKc数につしても外力が不棚、リなため備制な取り扱し\をせさるを得なし等の見守題がある。本書命では、作用外力等の不確定要素の少なし\自由訪揺誤験結果から前後ナ釘〉抗力係数を求め、十缶百去の検証を行う。

149

(7)

8.3.1

自由動揺実験の概要と計測法

実験海洋構造物の自由意揺誤験は、構造防の撤去前に期信した。校開変位は、曳船で曳いて与え、水平面内σコ変(立量を超音波式の長周期霊力計調|煤置で計測した。長周期霊訪計調l践置は、Fig.8.13に示す様に内SEI∞N�肝〉フーテイング部に取り付けた2台の送信機 A、Bと、海底に設置した3台の受信機X、Y、Zにより構成されている。 11A，..___，13Bの6つのE国佐が計測されると幾何勃ワな関係から海底面に固定された座標で、のA、B点の位置を求めることができる。

8.3.1.1 実験解析法

自由動協寺には、構造物まわりの流僻見象は非定常であるので、Keulegan-(a}�enter (Kc)数とレイノノレズ数制御寺問とともに変化する。もし自由餅お〉運動XがP(lj を減衰の包絡領幅として次式で表されると仮定すれば、

X = P(t) sin(ωot) (8.2)

X = P(t)sin(ωot) + P(t)ω。cos(ω。t)

=

�

ρ2 +ωOp2州ωot + 5) (8.3)

ここで、 ωoは瀕闘の円周鰍てやある。隣和樹踊

什

2+ωρ2を用いて、必数およびル1を次のように定義する。

い

ω02 p2(t)

-

D D

b 一

^一

巳旦_

^一

D[f2(tいω02p2(1)

V \ノ

(8.4)

(8.5)

(8.4)およ吠8.5)式で周期Tを一定とみなす事ができれば、メデ(=RnlKc)は一定値となり、抗力係数は封主のた数のみの関数とみなすことができる。

自由動叡コデータから流体力を推定するプア法としては、次の2つが考えられる。

(り減滅曲線肉64]

ο)時系列フィッティング法

(1)の減滅曲I線出土、減衰振動の極値を用して減衰係数を求めるものであるが、前後揺れの場合i対副1数カミ少なく、Ij瀬田寺のデ^、ータにノイ_ズが混入し_ているた_め 2，..___，3 周期分のデータしカ糊庁に用し\ることがで、きなかったしたがって、減滅曲線法で崎新醸佐で、あったた引2)の時系列フィッテイング法を用いた。今回の角勃庁に用し\た時系列フィッティン

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グは、青争的な非議研須記童(げ去であり、あらかじめモデル方程式を定めてその数値解をルンゲクッタ法で求め、データ間の自乗誤差が最小lこなるように行う。最適化アノレゴ、リズムは、

パウエルイ去[79]を用いた。ノぐウエル法はパラメータ空間内の評価関数値のみからその評価関数を最小にする点を求めるものである。そのアノレゴリズムは以下の通りである。

(1) パラメータのl次沼新面を設定する。

ο) 評価関数を2次関委匁日以することで、その断面内の評価関数の最小点を求めるo

。) (2)の点を含み{1)の断面に直仔するl次元断面を決定する。

宇佐定するパラメータは、モデ〉レ;方島V河系数の他lこ数{敵手の初期変位、ネ瑚速度およびデータのオフセットとした

8.3.1.2 ナ餓l胞と実演l胞の比較

Fig. 8.14に、長周期軍動計jR|践置で計測した前{麦樹ω自由動齢計調IJ[5i恰示す。則合で真っ直くやに実験椅創釘を曳いても、なカなか倒辛な前後揺れ刀運動は与えられずムム力向にも運動してしも。将命の角斬では、この前妥協もと左右協もとの連成の影響を無視して次のように角勃斤を行ったまず、前後十品同五軍動方程式を次式により定義したQ

(m+ MX)れぽ+

ド

バ1/\'1+げ二F.\ (8.6) ここで刈抑留復元力係数である。自由動自寺のj議開鈎其8.tみ式訪=ら寸支に次のように書き表すことができる。

云+2α土+βlil土+ω2X= 0 (8.7)

ここで

2α= N x / (m + M.r )

β= 0.5ρIACD / (m + ^IvIX) (8.8)

ω2 = ^{k /}(m+IvIX)

(8η均五車度に比伊fする線形な減お7で、あるし告波減衰力は、3次元特異点分布法による計算を行った結果、無次元造崩成剥系数人グρマωは10-3以下であり、粘↑蛾お〕に比べて鰐見できるオ」ダーであることが分かった。したがって(8.7)3:切第2項を省略したものをモテツレ方程式として時系列フッテインク、、を行ったFig.8.15に、実測と時系列フッティングで求めた時系列データの比較例を示す。図から動オ謝励高が小さし場合、即ちKc数が/J

151

(9)

さし場合は、モデ〉レ方flb:\1こよりフッティングした断勿樹齢方が実測のj新知樹高り若干大きくなる傾珂があるが全榊句に両者は郎、一致を示す�Kc数が非常'0トさし場合は、振鼓疏中に置カれた2次元円柱の抗力係数に関する開初コ実関7ηでもKc数の枇刈こともなって抗力係数が大きくなる傾向があることは良く知られている。粘↑生滅勤のKと数依存性を考慮材1ば、減蔚系数をより正確に求めることが可能であるが、た数依存性をモデル方結対こ組み込む事により刊面関数の中に未糊支を係数とする指新績が増えるため、矧面関数に多数の居jイ直が王殿L係数の同定滞佐しくなる。したがって、将命では未知数を係数とする端野頁の数をできるだ、同威らす意味から粘性減衰力の Kc数依存性を考慮、しなし事とした

次に、持命で示した宇佐算法で自自動舗の抗力係数の推算を試みる。まず、Fig .4.4カら滑面の2次元円柱の CDを求める。自由動揺実験のKc数は0.8'"'"'8であるが、Sarpkaya の実験はKc数20以上の実験値しカないためKc数20 の時の抗力係数とする。図から2 次元円柱とした時のCDは、カラム部で0.68"'-0.80、フーティング部で0.64へ-{).67となる。

さらに、Fig. 5. 7のSarpkaya[24]とJustesen[26]の粗度影劉系数からKc数0.8'"'"'8 の即〉

粗度影響係数は約2.0となり、 Cρはカラム部で1.36'"'"'1.6 、フーテイング部で1.28'"'"'1.34 となる。フーティング部では、さらに3次元影劃系数0. 5を考慮了するとCDは0.64へ心67となる。カラム聞の相互干渉景タ劃系数i討黄方向で1.05、縦方向で0.98、フーテインク7習の相互干渉影響係数は、横方向で1.45、結坊向で0.95となる。相互干渉影響を考慮して実験海洋慨劃均全体のらを貝讃もると1.31'"'"' 1.44となる。自由戴指埼食カユら求めた抗力係数と推算した抗力係数の比較と推算の溜呈をTable8. 3に示す。自由設揺誤験の糊庁から求めた CDは1.32'"'"'1.51であり、粗度影響を考慮して推算したらと良く一至大する。粗度影響を慮、

しないとらの推算値は0.6 7から0.69であり、自由重域高鳴食の角勃庁から求めたCDO)1:守112 であることから、京総毎桝あ劃勿の粘白衣お7を推定する際、の粗l慧タ野清朝面持口イ可に重

要かを瑚卒する事ができる。

Fig.8.15の実測の自由樹齢波形と時系列フッテイングで求めた時系列データの比較から、低 Kc数f澱:支持占凶成町〕が大きくなっていることが考えられる。波力の場合は、

Kc数が小さし場合は、補佐の規模が小さし\ため粘↑生影響刷、さくポテンシ引は軍命値とほぼ一致するとされてしもが、粕↑針葉町7の場合は、 Fig.8.15から瑚卒されるように、振動の小さ川底Kc数或で場オ釘〉減衰が明らかに大きくなっている。Kc数2 .0以下の短めて低Kc数調食で抗力係努坊決c数の脇、とともは動ける現象l地常の2次元円柱でも良く知られる現象であるが、粗直円柱の場合は、滑面円柱に比べて高いた初或でこの現象が現れることが報告されてしも[77]コ低Kc初1!tで、の粕出成衰力の地主は、実開平キ斤J去も含め

(10)

て今後の研箔果題として残こされる。

次iこ、ffiSEI∞N号の上下揺の抗力係数を推定する。上下揺の抗力係数の推算は、Fig.6.15 を用いる。Fig.6.15は、フーティング直径とカラム直径の比が2:1の条件です育つれた実験データを整理したものであり、実験海情報封均と同ーの円柱直径比である。ffiSEI∞N号の LjDf舟625の点のらを図から読み取ると、Kc数1.0でCv=2.4となる。Kc=1.0は動謝友幅に換算するとO.ωn1であるが、実際の上下揺の餅畠土、波高と同程度かそれ以上になり、

波高5mで、Kc数は10"-'15程度の値となるものと思われる。Fig. 6. 15からffiSEI∞N号のフーティングのL/D.月625でのKc数によるCf)の変イヒを読み取った結果をFig._8.16に示七図からフーテイング付カラムの上下揺のらは、Kc数が大きくなるにしたがって一定値に漸近している。したがって、問SEI∞N 号の上下揺の抗力係数はFig. 6. 16から約2.0 と貝績もることができる。

8.4結果のまとめ

本章では、穿紛毎桝蕎造物の完旬或実験から定常流中の抗力イ系委文および自由動副粉末占 '�:到或蔚系数を求め、開発した推算法により求めた抗力係数と比較して、その有効性の検討を行ったその結果、次のようなi寄命を得た。

(1)開発した定常流中の浮体向毎桝斉造物に働く抗力係数の推算法により実機海桝誇造物の抗力係数を精度良く推算することができる。

(2)開発した振動流中の浮体雨留学オ蕎造物に働く抗力係数の推算法により実機海洋構造物の自由餅副初球占|城町7を精度良く宇佐算することができる。

(3)実機海洋ネ託宣物の抗力係数に及ぼす生物付着による粗度の変化の影響は非常に大きく、これを無期することができなし冶

(4)実機衛戦記劃勿の自由動読埼食の角勃庁から、低Kc鋭或においてた数の減少に伴って粘防波町〕が急激に大きくなっているものと考えられる。低 Kc数域での新婚毎桝蒋 i鞠の粘出成町〕の梅田、実関手桁去も含めて今後の研箔果題として残される。

153

(11)

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Fig.8.2 Schematic profile of POSElDON

F培.8.1 Location of tβst位四

Table 8.1 Principal dimension ofPOSEIDON

ITEHS DIHENSIONS

Length overall ₃4.0・ Breadth overall 24.0 ^• Height of ・ain structure 13.5 ^•

Ð^ra^ft 5.5 ^•

Ðistace bet�een colu.ns 10.0・

Colu・n dia・eter 2.0 ^•

(partially 2.5・)

Colu・n height 8.5・

Footing dia・ter 4.0・

F ootin g. heigh t 2.5 ^•

Displace.ent _{(6 )} 530.805 ton Height of C.G. (KG) 6.475 ^•

Height of C司B. (KB) 2.011 ^•

Hetacentric height

Transverse (GHt) 1.891・

Longitudinal (GH1) 5:297・

Radius of Gyration

Roll (Kxx) 9 .80 8 ・

Pitch (Kyy) 12.859・

(12)

Fig.8.3 F10ating offshore s仕uCQu'e POSEIDON

も。

A半Oi

\ れんυ \

、\

�

...

、

、\、

ム印。

...

Fig.8.4

(13)

Towingbeam Towinghook Towline

T=Tm/(sin _e ₁_-sin _e 2)

Fig.8.5 Method of towhne tension measurement

75. N.R.

Fig.8.6 Arrangement of the towing system

nφ 町. R.

(14)

、J ，浮ぜ??に 4

43y4場経R1 i-E

Fig.8.8 State of towing

念

3H，\

mこ AM3 8

5 km

Fig.8.7 Tension metel'

2.5

9H POSEJDON

〆

Fig8.9 Towing位句ecω1γ

157

(15)

U==3kt 0.6

x (deg) 180

90 45 135

。

OA心・ A

•

0.4

0.2 5 1も

。 2 4 6 8

Te(sec)

Wave resistanぽofPOSEIDON Fig.8.10

Marine growth around _colwnnofPOSEIDON Fig.8.11

(16)

Table.8.2 Comp紅百on 民tween meおlu'ed and es凶natedCLJ ofPOSEIDON

V U Tw Rw COM COE COE

(m/

sec)

(m/

_sec) _(ton) _(ton) _{(Ca 1.}₁₎ _(Cal.1)

Test-1 2. 56

一

^15.0 ^6.¹ Ô.²²¹ Ô.¹⁷⁶ Ô.²⁹⁶

Test-2a 1.46 10.0 10. 1 2.42 O. 589 O. 306 O. 539 Test-2b 1.56 10.0 8. 4 1. 28 0.478 O. 306 O. 539 Test-2c 1.54 10.0 8. 4 O. 0 O. 578 O. 306 O. 539

Sway U==2.21 kt

Bridle==20m

/下\ /J\「\，f\一

司� _/ ・ ---..，."r

5 10 (min)

Bridle==30m

rELlL

m

ハU ハU 1Ei -Ei

m m ハU ハU 11i - 可Ei

Bridle==40m

/f

寸「/lm in

Fig.8.12 Experiment of∞Ul'Se stab出匂/

159

(17)

、ES'''AH Z AH VJ A V〈、PA rtt、『lk jン AJ

41亡。ω

Jtht 't、、、、.，，，ロu z

vB B LJ つι 口u ー111 V〈 .

J JB ト!J i ，''t、、，

，，，41、、

J、

Fig.8.13 Measurement of slow企i氏motion

IJ[・0 5.0

%: .0

一一_j SO 100

_l一一ー一 ₁ ₁ ₁ 一一ーし一一一一一l

150 200 250 300 3S0 400 ・50

TCSECJ

2ご

SWRY

「一一

150 200 250 300 T(SECl

ーよー一-

400 450 500

Fig.8.14 ^Anexample of measured位me series of the企ee surging test

(18)

(m) 3.98 1.88

measured

nHHV nHu

nMu nHu nHu nHu

nMU

nHu nHu nHυ nMU 唱t畠吋ベJ F「J 円，s

vcoZ』@Qmw-aω一刀

fitting

curve

58.8 198.'B 158. B

ti

me 298.8 258.

(sec)

Fig.8.15 ωmp紅白on 民tweenfi出ng and measurement of企eesurgmg curve

Table 8.3 ωmp紅白on 民tweenmeぉured and estima缶dω

column footing

Xa (m) ^2.5-..0.5

Kc ^1.6-..7.9 0.8-"4.0

Rex10₅ 0.76-..3.88 1.51-..7.56 2-D Co(smooth cyl inder) 0.68-..0.80 0.64-..0.67 2-D Co(rough cyl inder) ¹^{.36-.. 1}^.6 1. 28-.. 1 . 34

3-D coefficient ^1.0 ^{O. 5}

Mutual interaction ^1.05 ^{1. 45}

coefficient (tandem)

Mutual interactíon ^O.⁹⁸ ^{O. 95}

coefficient (side by side)

Estimated Co(smooth cyl inder) ^O.62 -..0. 65 Estimated Co(rough cyl inder) ¹

.

^{31 -.. 1}

.

⁴⁴

Measured Co 1.32-..1.51

161

(19)

にコ

。

10 8 6 4 2

C

。 2 3

Kc

Fig.8.16 Estimated value of drag c∞伍cient ofPOSEIDON for heave

4

(20)

第9章浮体均毎洋構造物の運動の推定法

第2章から第6章におし\て、浮体南館補助の粘間体力の推定法を提案し、第7立て濃型実験によって、さらに第8章で、実機毎注実験によって推期宥度を検証した一方、

ポテンシヤル祈れに基づ、く流体力の宇佐算法ぽ邪こ確立しており、本書命の付録，:-Aに示した3 次元特異点分布法等により理Z命的に求めることが可能である。

水期支型実験レベルにおける海桝荷動のj議坊綻法は、既に確立され、精度の検証も既に術つれてし\るため将命では省略する。本章で、は実機毎併記鞠の夷旬或実験で得られたデLータ解析により得られt::i重動応答とその推算値との比較を行い、流体力から運動まで、

の総合的な推算手法の精度の検証を行う。J筆耕院法として、周波紛興�、の計算と、時鳥守合興安での計算の2通りの方法が考えられる。実旬或実験において波浪の計測点が構i割均から180m陣飢た点で計測しているために、構i劃勿こ作用する外力を日教l歴で精度良く求めることは鴎佐である。また、将命の主目的は、浮体式淘判部会陶σ〉一次設計のための粘十封市本力の推定であるため、メモリー景港関数等の取り扱し\を必要としなし\簡便な周波数領咳でLの計算を行った

9.

1座標系および運動方程式

計算に用し\た座標系をFig._9._{1に示す。} 波はχの方向から入射する微少樹]高波で、あり、

浮体同司l体で6自由度の定常周期)D)Jをしているものとする。 6自由度の運動方手�を次均〉ように定義する。

エ{(

^Aji

+。材料+巧尚+②砂(勾-句)1均一句1+(/ω)

j=l

=乃:(j= l，.._， 6)

ここで、 _イji : i方向の選力によるj方向の付加質量または付加|関空モーメント

入手'Ï :質量またほ|貴性モーメント

Nji:造腐成蔚系数み:粕凶系数

。:復原ゐ係数 F)・iリ-方向の、初矧力

163

θ1)

(21)

X，X，X:海f制裁劃吻の力団夏度、速度、変位

U:水粒子速度

。i クロネッカーのデ〉レタ

(9.1)式の速度の自乗の粘性項は、そのままの形で角卒けないため、等価仕事の原理から(9.2

式のようじ線汗多化する。

M一句件

_(9.2)

ここで、 Yは(λ3-句)のjt依す値である。助は抗力係数CrJと投影面積Aを用いて次式で

均二 j ^μC均

表すユ

(9.3)

(9.4)

ここで、周期運動を考えると

Xi ⁼Xiel/:a Xi = iú1Xi ω Xi ⁼^_úJ2

X

ie^iat

乃 r;'i01ú1

ただし、 Xj

:刻立の複素樹言、 F)_'

:関錦IJ力の複穀励冨である。

し

たが^って

、

₍9.1)式は、

会[{

^-^áJ2

(Aji + &iMji)叫i + iúJ!iji 立 ^{与iV +C)i} } ^X ]

fhu

θ5)

一一IJ !川7J一Y8一片pq 十一刀一一

θ.5)式を繰り返し計算で解く事ことによって浮体式海桝蕎造防の運動の周波数之等特|幻3 求まる。

9.2完毎域実験における運動および波浪の計測の概要

実験構造物の波浪lこよるi語力の計調IJは、Fig.9.2に示すように甲板中央で、Sぽge、Sway、

Heaveの出鑓動の力腿度を3軸の高橋度サ)ボ劫暗度計で、巨恥軍動はRoll、Pitch をパーティカノレジャイロで、Yawを船舶用方位ジャイロで計測した力暗度計によるお隼運動の計測は、力団ま度計を構i鞠に固定しているため、悌ヰによる重力力腿度の影響を受

(22)

ける。解析の際は、Surge、Swayに関して次の補正をおこなっている。なお、Heave 方向の力曜度に関する傾抑コ影響i判\さし\ため無視してしも。

{:←日 =イ rんい∞ωOωsB+C Za +吋ψψ叫叩gρ山ωω)μ川凶S幻S1l1

y=ζC∞os砂一 (Za

⁺^g)

sin砂

^θめ

ここで、 x、 Yはイ頃伸涼簿を取り除いた甲板中央のSurge、Sway方向の力随度、 Jt'n ζ、 Zaは計測されたSurge、Sway、Heave方向の力同室度、g は重力力局窓度、。および例土それぞれノくーチカノレジャイロで計測されたPitch角とRoll角を表七

力暗度から変位への変換は、単純に数回野士を行うと{訟な印司波数変動やノイズが集積されて誤差となる。したがって、力同室度データのフーリエ変換を行って求めた各成分波の損隔をω2で割り、イ封目をπだけ修正して逆フーリエ変換して変位の時系列に戻しむ

この時、{邸司波数域は力同室度計で、の計調併青度がないためカットした

実験構造防に入射する波浪の計測は、構j創均の船首{員|肢の18 On1の水深4On1の海底に Fig9. 3に示すように西北西方向の直線アレイとなるように3台の超音波式波高計を設置して行ったこの、波高計アレイの計誤117'--ー:タから入射波の方向スペクトノレを求めることも可能である[82]。超音防切っ剤、|肝理は、海底から発射しわ超音波が海面で励すして戻っ

てくるまでの時間差を計測し、海面の水位変動に換算するものである。

実観或の計視庁、ータの収録は、実態財蕎潤矧IJのノミーソナルコンヒ。ュータにより自動計測された。計測は、6時間毎にω96個のデLータを0.5秒間隔でサンプリングする定時計測を基本としているが、低気王接近時期こは、師寺にサンプリング1.0秒間隔で連続計測も実施した。

9. 3

実機海洋構造物の運動応答と推算値の比較

Fig.9.4、9.5に左右揺れおよび上下揺れPコ周波数;t答特↑生の実視|胞と推算値の封鎖を示

七実視庁、ータは、1988年1月"'-'2月のデLータのうち波の主方向がぴの状態のものを定時十狽lげータのうちから選び角新した動説;答は、応答樹1高を波高で無次元化した。実験に用し\たらは、第8章の推算結果から、前後揺れ1.4、上下揺れ2.0で一定値とした。

Fig.9.4に、前後揺の周波数:t答特性を示す。実視l胞に対して宇佐算値は0.1寸13Hzで若干低めの値を示すが、全(柏に十鱒値と期|胞は良く一致する。したがって、前後揺に

関して平土写材先力係数を1.4と推算した事は妥当であるとし\える。Fig.^9.5に上下揺の周波鄭諸特性を示す。図から、0.1へ-D.12Hz付近の上下取〉向調司波数付近で推算値は実視IJ

165

(23)

値より若干大きくなっているが全体の相関はかなり良し冶

Fig.9.4およびFig.9. 5から、実験海附帯連防の前後および上下揺れの周波数;t答特性の推算値と実測直とはほぼ一致した。努旬]支で、の海桝蕎連防の動者十担、IJ�こ水平台を使わずに力団車度計で計測した力同室度データから傾斜角の影響を補正して用いている事や、外力の算定に用いる波浪の計調Ij点カ精溜勿の設置場所から約180m良樹もていること等の実験誤差を殴震対1ば、本書命で開発した流体力から運動応答まで、の一貫した推定法は実用的にイすな精度を有していると言える。

(24)

X

X4

Fig.9.1 Coorclinate system

Ultra Sonic山om凶er

\

Heave Acceleration

Surge Acceleration Sway Acceleration Heave Acceleration RolI， Pitch， Yaw

Heave Acceleration

Fig.9.2 Arrangement of measuring pomts

167

(25)

x(m) y(m)

No.l -4.93 25.02 No.2 5.80 92.12 No.3 0.00 0.00 Probe

Have

Probe No.2

。

No.l

件

七e

Olf

\ r

^{No. 3}

Y

Probe Wave

Coorclinate system and position of wave probe Fig.9.3

Measured 1.5

。

一-

Estimated

。。

の勺\何一×

0.5 0.15 0.2

f(Hz)

0.1 0

0.05

Comparison of response function of surge between calculated and measured result

Fig.9.4

(26)

1.5

の

幻1 1

"'--

何

ト、J

0.5

o

Measured

一-

Estimated

0 0.05 0.1 0.15 0.2

f(Hz)

Fig.9.5 Comparison ofresponse func位on of heave between calculated and measured result

169

(27)

第10章結論

j旬羊資源、の開発・利用や海洋空間の有す対リ用のために用し1られる各種の浮倫明洋構造物の読十時には、まず、波浪、風および流れ等の外力によって引き起こされる海併髄物の運動応答を予測し、これをもとに干拓封免の安全性の検討と構j劃めの使用目的口芯じて要求される機旨↑生や居住性を満足するかどうかを調査する必要がある。海洋構造防の運動応答の計算の最も基本となるものは、流体力係数である。流体力係数のうち、流れの景|民住に起因する粘↑生流体力を理主命的lこ推定することは因葉tとある。粘性に基づく流体力係数は、

佑長、海桝記自勿の縮尺模型を用いた水様鵡剣こより求められてきたが、この方法では、

穿艇涯動応答め推定の際に尺度景獲を考慮することが困美佐である。本書命文の目的は、実機働制裁劃吻の初期設刊寺の運動十猷E�こ用しも粘凶荒体力係数を実用的かつ精度良く推算できる方法の開発を目指したものである。

本書命文では、海i判記宰l勿を構成する基本要素制オ毎lこ粘出走体力を形状影響、3次元影響、尺度影響、表面粗度景簿を考慮して求め、制オ間の流体力の相互干渉効果を考慮しながら構造防全体の粘断体力係数を宇佐算する手法を開発した。将紋で得られた主な研究成果の概要を以下に示す。

第2章では、まず、定常流中およひ守属航中に置カれた 3 次元円柱の粕出荒体力の計測と耐Uかコ可視化実験を行い、2次元円柱の結果と比較して粕出涜体力に及ぼす3次元景濯を明ら糾こした振動荒中の3次元円柱に働く粘|姉体力に関する研究は、実験の難しさからこれまで殆ど行オつれておらず、振動走中の3次元円柱の粘出走体力に及ぼす3次元影響は明ら州こなってし\なかった。本好関で行った3次元円柱の系御句実験こより振動流中の粘性流体力係数に及ぼす3次元影響がかなり明らかとなった即ち、振動流中に置かれた3次元円柱の抗力係数の3次元景建戸〉備司が定常流中の抗力係数の3次元影響と一致すること、および、Keulegan-capenters数が小さくftïruま、 3次元影響による抗力係数の政少率が大きくなることが分かった振動流中の3次元円柱の付加質量係数は、抗力係数の場合と出主に模型の3次元↑生が増すlこ従って大きくなり、揚力係数iま僅かな流れρ 3 次元「生の所生によっても急激�JJ\さくなることを示した。続いて、定常流中およひ湯劫流中に置かれた{頃斜円出財lこ働く粘|蛍荒体力を実蜘ワに求め、粕加茂体力に及ぼ引頃斜影響と傾斜が付く事によるす綜際免許コ変化を示した。矩Jf:分主の粕凶荒体力に関しては、既存の研究成果を整理して定常流およひ波動荒中に畠うれた3次元矩矧主の抗力イ熟知十鱒

(28)

法を示した。

第3章では、既存の円柱要素聞の粘凶荒体力に関する相互干渉効果に関する研究成果を整理して、定常流およひ守辰動涜中の海f有志封勿の要素部材間の相互干渉影響の考慮j去を示した。相互干渉奴操は基材位、耐も方向こ2本の円樹ミ並んだ場合侃肪向相互干渉) と術工方向こ並列に2本の円樹i並んだ場合(横方向相互干渉)および、2本の円樹漏れに対して千朗日夕Ijに並んだ場合(干潮汐l昨日互干渉)の3つの影響がある。材命で開発した相互干渉の考慮法は、これらの3つの相互干渉効果がお互いに影響し合わないものとして、隣安する全ての相互干渉効果を単純に合算して求めるものである。

第4章では、京劇〉浮体均留学オ蕎溜勿の粘凶荒体力を推定する上で最も重要な部哲で、

ある尺度影響の考慮法を示した。尺度影響に騎する既存の研究成果を整理した結果、定常流中の抗力係数の尺度景怨はレイノノレJヰ航、けで決定されるのに対して、振動荒中の抗力係数に及ぼす尺度影響はレイノルズ勤ピけでなくKc数によっても際邸こ変化することが分かつたまた、ゴ型円柱の強市暢揺実験を行って、開発したレイノルズ数杉酢コ考慮法の有効性を実聯句に検証したc

第5章では、粘性流体力に及ぼす表面相度景簿に関する既存の研究成果を整理し、その考l苛去を示した。表面相度影響は、主に海洋構造防表面に海中生物が付着することによって生じる。表面粗度の影響は、定常流中、振動涜中ともに超臨界.�支から極包臨界域にかけての高レイノノレズ動支で、非常に大きく、実機筋科書i劃勿のカラムのレイノノレズ数はこの領域に入る可能回清川また、表面粗頭進により粗E円柱の抗力係数は滑面円柱の抗力係数の2倍から3イ齢大きさになることがあるため、新鋭毎桝起動の粘性流体力を推定する際には茨面粗度の景獲を無視することが出来なし\ことが分かった

第6章では、半動陪む毎1判1寺j封勿を構成するイ.\茨的な要素浮体で、あるフーテイング付カラムとロワーノ\ノしイ寸カラムの定常流中および前炎、左右および上下に動岳する場合併推流体力の推算法を示した。また、推算法の有効性を実験値との比較から証明した

第7章では、各手重木和\jJ)浮体式海i軒高会均lこ力日わる抗力の推定法を示した。開発した推算f却コ有効性を確認するため、TLP形式ロワーノ'\Jしイ寸カラム形式および、フーテイング付カラム形式わ3手郵�の形式わ浮体式海淵1寄進財莫型を用いて水槽事場食を行い、実験により得られた抗力係数と推算した抗力係数との比較を行ったその結果、持命で開発した抗力係数例区算法は、期j貨を行った全ての形式の海淵詩j出勿の抗力係数を精度良く推算できることが分かった。

第8章では、開発した粘↑抗体力併臨御〉芳純桝誇連防吋フ適用性の検証を行った。

擬正に用し1たデLータは、定申走中の抗力係数lこつしては実働毎i軒高安防の刻印粉索張力

171

(29)

から、振動流中の抗力係数は、自由樹齢減衰j皮汗勿時系列フッティングにより求めた。

実機験の角斬から求めた抗力係数と将命で、開発した推算法により推算した抗力係数は良く一致し、宇佐算法の穿紛毎桝奇劃か吋〉適用↑幻i認められた。実機海淵罰金鈎の自由射岳諒験の波形から、重域密励冨の小さし怯Kと紛或においてKと数の波川こイ半って柑自演衰力が急激に大きくなってしも可能回湾えられる。低Kヒ数域で、の期総街明帯封吻の粘↑生減衰力の十伝Eは、実験テ:Lータの角勃庁法も含めて今後の研箔果題である。

第1 0章では、浮体式海洋才高針勿の周波委文章貝或における運動応答の推算法を示した運動と入射波浪のデータ鰯斤から求めむ議杭答とその宇佐算値は良く一致し、将命で開発した流体力から運動応答まで、の一貫した推定法は実用的に寸づ士な精度を有していることが明らかとなった

以上の結論から、持命文の所期の目標で、ある浮体式海鞘誇造物の初期設刊寺lこ用し\る流体力の推定精度の向上を図る目的は、ほぼ達成された材命文で開発した、粕↑iâ花体力の十猷E�却土、多くの研究者の手により長年にわたって積み上げられてきむ甑筋庁究の上に成り立つてしも。オヨ命で、開発した浮体式海桝奇書伽こ{動く粘凶荒体力拡算御コ要素音財形

状の帝|節句を少なくし、精度の向上と推算法により一般↑生を持たせるためには、各種要素部

材に働く粘出走体力に関する基硝句研究の更なる積み重ねが今後とも必要である。

(30)

謝辞

本研究を始めるきっかけとなったのは、著者の所属する遷齢、制白支術研宛斤から、科学扮Î'i庁の国内留学制度により九州大争芯用力学研究子万へ平成2年度に一年間柄宣され、

な次元円柱に加わる流体力と流れ刀可視化に関する実験的研究Jを行ったことにあります二以来、今日まで海淵:蕎連防の要素制点こ作用する粘出荒体力の研究を続け、最終的lこ淘判報室防全体に作用する粘↑宣言荒体力の十猷Ef卸〉開発まで一連の研究を続けることができました

本砂院をまとめるにあたって、九州大学応用力学研宛斤小寺山亘耕受には、国内留学期間中はもとより留学を終刻倒白弟|湖沼爪こ戻った後も適切なご指導とご助言を頂きました後に、担会人特売嶋監友枠で、九州大学大判完博士課程で学右事がで、きたのも先生のお導きによるものです。ここに深くJ翻?し\たします。また、九州大物芯用力学切断対南丹教授はじめ諸先生方ならびに九州大学機奇跡勿質科学方開万JÆ7.K洋糠より懇切なるご指導を頂きました著者の深甚な感謝の意を表します二

応用力学郁問中村昌彦助教授は、円柱制オの粕↑釘荒体力に及ぼす3次元景籍料研究の共同研究者であり、実験法や角勃庁法等について多くの知識を賜るとともに、貴重なご助言と有益なご吉右命を頂いたことを記して感謝致します二また、九州、快争芯用力学可序日庁技官の石井幸治氏には、流れの可視化実験にあたって貴重な時間を害!Jし\て水素気泡法や割卒沈殿法等の可ネ慰労FÏを伝授して頂きましたこの可視化実験の成功が著者の流体力学基礎実験八の興味を一層かきたてることになりました深くJ惑調和\たしますユ

選持活、船脳矧間知庁海湖再発工学部長大松重五{紳士には、長期間に亘って基樹肝究に従事させて戴くと共に、研究の節目節目で有益なご言論とご意見を頂きました。倒的支争開宛万珂毎洋開発工学部長井上令作博士、前部長菅信博士には、制緩かし\励ましと激励のわ言葉を頂きましたまた、海洋開発工学部主任研究官力崩事俊司博士には、研究の来蹄似こ亘って有益なご言有命とご助言を頂きましたその伽倒位鍬朔宛斤の関係者に心よりJ額千申し上げます。

最後に、船員故鰍朔宛斤海洋開発工学部元部長の古ほ羽i定雄氏には、船身故矧初序E戸斤に入所して依頼12年間の長い間直属の上司として、実蜘怖究4コ取り組み方や研究吋〉

熱川青熱を学びましたまた、何も分からなしさ著者に、船舶工学や、船体運動力学の基礎的な事抑制|障に辛抱強く教えて頂きました水槽実験と角新法につしては正に手取り足取り教えて頂きました。目を閉じるとその時の故人の真剣な眼差しが浮かんできます。

以上の方々に対して著者の心よりの尼弱?をささげます。

173

(31)

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