Development of a simple prediction model for vortex-induced motion of floating platforms with arbitrarily placed columns

开发一个简单的预测模型，用于任意放置立柱的浮动平台的涡激运动

• 批准号: 21K04496
• 负责人: 平林 紳一郎
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04496/
• 关键词: 浮体式プラットフォーム; 渦励起運動; 複数カラム; 低アスペクト比; 機械学習; 上下運動; カラム配置; 数値流体力学

本研究では、流れの中でのカラム同士の渦干渉がもたらす流体力について、複数の円柱や角柱を任意の場所に配置した浮体において渦励起運動を簡易的に予測するモデルを開発すること、さらに本運動の新たな知見を得ることを目的としている。前年度に構築した低アスペクト比2円筒におけるデータベースを用いて流体力モデルの構築を行った。まず円筒間間隔や角度条件が網羅的に揃っている静止状態について、2円筒間の流体力について数理モデルを構築し、実験値との比較を行った。その結果、平均抗力係数については数理モデルである程度推定が可能であるが、その他の流体力については現状では限界があることが判明した。続いて2円筒の流体力から4円筒の流体力の推定について、複数の代表的な機械学習を用いて比較を行った。教師データとして2円筒の情報に加えて4円筒データの一部を教師データに加えることで推定精度が向上した。手法間の比較としては、ガウス過程回帰が最も良好であったものの、線形回帰モデルでもある程度傾向を捉えることができていた。モデル式の構造が明確な線形回帰モデルにおいて、過去に経験的知見をベースに構築した推定モデル式との比較を行ったところ、各円筒からの影響について、経験的知見だけでは十分反映できていない成分が存在することが分かった。本研究ではこれまで渦励起運動として浮体の水平運動のみに着目してきたが、水平方向に延びた筒状部材が水中部に存在する場合、同様に上下方向の運動が励起される可能性があるという予想の元、これを実験的に確認するための模型実験を行った。想定浮体の1/60の模型を設計、製作し、曳航水槽にて速度および流れの流入角度を変えた実験を行った。その結果、渦励起運動においてpitch, roll, heaveといった上下方向の運動が起こり得ること、各動揺モードは連成して複数の周波数にて共振を起こすことが実験的に確認された。

这项研究旨在开发一个模型，该模型可以轻松预测浮动体中的涡流激发运动，在任何位置，在任何位置都安排了多个圆柱体和棱镜，涉及流量中圆柱之间的涡流干扰引起的流体力，并获得有关此运动的新知识。使用两个圆柱体的数据库构建了一个流体力模型，该数据库在上一年建立了低宽高比。首先，为固定状态的两个圆柱体之间的流体力构建了数学模型，在该圆柱体之间，圆柱体之间的间距和角度条件得到了全面满足，并与实验值相比。结果，发现尽管可以使用数学模型在一定程度上估算平均阻力系数，但目前对其他流体力有限制。接下来，使用多个典型的机器学习比较了从两个圆柱体的流体力中对四个圆柱体的流体力估计。除了关于两个圆柱体作为教师数据的信息外，将四个气缸数据的一部分添加到教师数据中，从而提高了估计的准确性。作为方法之间的比较，高斯过程回归是最好的，但是线性回归模型能够在一定程度上捕获趋势。在具有模型方程式清晰结构的线性回归模型中，我们将其与过去基于经验发现构建的估计模型方程进行了比较，发现单独的经验发现无法充分反映部分成分。在这项研究中，我们仅专注于浮动体作为涡流激发运动的水平运动，但是我们进行了模型实验以确认该实验，并预测，如果圆柱形成员在水平方向上延伸到水的内部，则可以类似地散发垂直运动。进行了一个实验，其中设计和制造了1/60型型号的1/60型模型，并在拖车罐中更改了速度和流入角度。结果，经过实验证实，在涡流激发运动中可能发生上下运动，例如俯仰，滚动和隆起，并且每种振荡模式耦合在一起会在多个频率下引起共振。

项目成果

EXPERIMENTAL STUDY ON FLOW-INDUCED PITCH, ROLL, AND HEAVE MOTIONS OF A SEMI-SUBMERSIBLE FLOATER WITH LONG PONTOONS

长浮箱半潜式浮体水流引起的纵摇、横摇和升沉运动实验研究

• 发表时间: 2023
• 作者: Yuki Naito;Shinichiro Hirabayashi;Hideyuki Suzuki;Rodolfo T. Goncalves
• 通讯作者: Rodolfo T. Goncalves

一様流中に配置された低アスペクト比 2 円筒に作用する流体力のモデル化

对作用在均匀流动的低纵横比两个圆柱体上的流体力进行建模

• 发表时间: 2023
• 作者: 平林 紳一郎;松下 凜太郎
• 通讯作者: 松下 凜太郎

A Study of Heave and Roll and Pitch Motion in Flow of Lightweight Floating Offshore Wind Turbines

轻型浮式海上风力发电机流动中的垂荡、横摇和纵摇运动研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Yujiro Wada;Kunihiro Hamada;Hiroki Hirayama;Takahiro Majima;Daisuke Watanabe;Yusuke Igarashi;内藤 悠基
• 通讯作者: 内藤 悠基