渦発生点の制御による流体励起振動の能動制御に関する研究

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建築構造物や海洋構造物は,風や海流などの流れによって背後に渦が発生し,その渦が励振力となって構造物が自励振動を起こす.本研究では,構造物の背後にできる渦によって励振力(流体力)が発生することに着目し,渦の発生点を能動的に制御することによって渦の発生自身を制御し構造物を安定化する手法を開発した.この手法の特徴は渦の発生点のみを制御することにより少ない制御エネルギで構造物の制御を行う点にあり,本制御手法は種々の大きさの構造物に適用できると考えられる.初めに実験的に研究を行った.一定流速の得られる水槽にせきを設置し,そのせきの上流部の端点を制御アクチュエータ(加振器)によって駆動できるようにした.まず加振器を動作させない状態でせきの背後に発生する渦を圧力変換器で測定し,流れ場の伝達特性を調べた.制御方法は,後流渦の圧力変動の大きさと位相をディジタル・シグナル・プロセッサで変換してフィードバック制御を行った.その結果,いずれの流速においても,位相の設定の仕方によっては,渦が抑制され場合と励起される場合があることがわかった.また制御力を大きくすると渦周波数の周辺の周波数で圧力変動が大きくなることがわかった.次に理論的に研究を行った.まず,渦糸法を用いて流れ場のシミュレーションを行うプログラムを構築した.そのプログラムを用いて数値シミュレーションを行った結果,解析結果は実験結果と定性的によく一致することがわかった.以上の結果から,本研究では提案した手法によって後流渦の制御が可能であることがわかった.