長大橋箱桁断面の空力特性に対するDESを用いた数値流体解析とその適用性の評価

従来から行われている橋梁断面を対象とした数値流体解析手法は、乱流モデルの観点からすれば、RANSとLESに二分される。RANSは計算負荷が少なく、剥離のない壁面近傍において有効性を発揮するが、剥離・再付着を伴う流れや変動成分の再現性においてやや難がある。一方、LESは微細な格子が必要で3次元解析をベースとするため、計算負荷は大きいが、剥離・再付着や変動成分も精度良く再現する。ただし、壁面近傍における乱れスケールを十分に再現できないという問題点もある。長大橋箱桁断面における空力特性は、剥離・再付着を伴う流れであり、変動成分も大きく寄与する。また、フラッターに関連する非定常空気力の作用に関しては、壁面近傍の流れを良く再現することも重要になる。そこで本研究では、従前の手法の問題点を解決するため、RANSとLESの互いの利点を取りこんだ、Spalartによって提案されたDES(Detached Eddy Simulation)と呼ばれる方法を適用し、長大橋箱桁断面の空力特性の検討を行い、DESの適用性の評価を行った。具体的には、平成15年度には、基本的ベンチマーク問題(平行平板流れ)によるDESの適用性の評価および矩形断面(B/D=4)の静的解析に対するDESの適用性の評価を行った。平成16年度には、平成15年度に課題となったDESで必要となるモデル定数の影響の評価を行った。最終年度である平成17年度には、最適なモデルによる基本箱桁断面の静的解析、また、振動問題を含む動的解析を実施した。その結果、DESは、RANSより剥離・再付着をよく表現し、少ない格子点数であってもLESと同等の精度の解析が行われることを確認し、長大橋箱桁断面における空力特性の検討に有効な方法であることを明らかにした。

従来から行われている橋梁断面を対象とした数値流体解析手法は、乱流モデルの観点からすれば、RANSとLESに二分される。RANSは計算負荷が少なく、剥離のない壁面近傍において有効性を発揮するが、剥離・再付着を伴う流れや変動成分の再現性においてやや難がある。一方、LESは微細な格子が必要で3次元解析をベースとするため、計算負荷は大きいが、剥離・再付着や変動成分も精度良く再現する。ただし、壁面近傍における乱れスケールを十分に再現できないという問題点もある。長大橋箱桁断面における空力特性は、剥離・再付着を伴う流れであり、変動成分も大きく寄与する。また、フラッターに関連する非定常空気力の作用に関しては、壁面近傍の流れを良く再現することも重要になる。そこで本研究では、従前の手法の問題点を解決するため、RANSとLESの互いの利点を取りこんだ、Spalartによって提案されたDES(Detached Eddy Simulation)と呼ばれる方法を適用し、長大橋箱桁断面の空力特性の検討を行い、DESの適用性の評価を行った。具体的には、平成15年度には、基本的ベンチマーク問題(平行平板流れ)によるDESの適用性の評価および矩形断面(B/D=4)の静的解析に対するDESの適用性の評価を行った。平成16年度には、平成15年度に課題となったDESで必要となるモデル定数の影響の評価を行った。最終年度である平成17年度には、最適なモデルによる基本箱桁断面の静的解析、また、振動問題を含む動的解析を実施した。その結果、DESは、RANSより剥離・再付着をよく表現し、少ない格子点数であってもLESと同等の精度の解析が行われることを確認し、長大橋箱桁断面における空力特性の検討に有効な方法であることを明らかにした。