【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】12450094 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

流体関連振動 / 自励振動 / 非対称渦 / インライン振動 / カルマン渦 / 対称渦 / 抗力 / 渦励振 / 連結構造 / 制振 / 双子渦 / 対象渦

【研究成果の概要】

本研究は、高速増殖炉「もんじゅ」のナトリウム漏洩事故で発生した、温度計ウェルの流れ方向振動に起因する温度計さや管の自励振動に関係するものである。動燃事業団(現:核燃料サイクル事業団)から提出された報告書によると、特定の一本の温度計ウェルが損傷した理由は、損傷した温度計ウェル内の熱電対が曲がって挿入されたため熱電対鞘管の内壁に接触し、温度計ウェルは1自由度系として振る舞い、大きな振動が発生し疲労破壊に至ったとのことである。この事実は、損傷を受けなかった他の温度計ウェルでは、熱電対が熱電対鞘管の内壁に常時接触してはいないので、振動することが可能で、熱電対は副振動系の役目を果たし、ダイナミックダンパを構成し、熱電対鞘管の振動を抑制したため破損しなかったことを示唆している。このように対称渦によって発生する流体振動現象は、複雑で、完全には解明できていない現象である。
そこで本研究では、電力中央研究所我孫子研究所にある重力落下式水槽を用いて、加振円柱に作用する対象渦の放出による変動流体力の詳細な測定を行い、その結果を、定常流体力、加振変位に比例する変動流体力、加振変位と90度位相のずれた変動流体力に分けて、換算流速(無次元流速)と加振振幅の非線形関数で表現したデータベースを構築した。その結果を元に、振幅がある一定の大きさになった時に始めて発振が起こる硬発振の振動系であることを明らかにした。これまでにデータの蓄積ない、微小振幅の条件下での流体力の測定に初めて成功し、流れ方向の抗力は、対称渦が発生しているときには、その大きさが約二分の一に減少するという事実が判明した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】15,000千円 (直接経費: 15,000千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】09875063 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

クラッタ / 自励振動 / 搬送システム / 紙 / ケーブル / 進行波 / 有限要素法 / 安定性 / 搬走系 / フラッタ / 非線形振動 / 非線形制御 / アクティブ制御 / 流体関連振動 / 制振

【研究成果の概要】

本研究は、光ファイバーケーブルや紙などのような高速で搬送されるシステムで発生する空気力と構造物との連成振動の発生機構の解明と制振方法の開発を目標に、平成9年度から10年度までの2年間に亘って行われた。発生機構の解明については、紙を対象に研究を行い、制振システムの開発についてはケーブルを対象に行った。解析においては、有限要素法によって定式化を行った。構造系の記述に用いた補間関数を紙に作用する流体力の記述にも用いることにより、流体構造連成効果を含めて解析することに成功した。連成系の支配方程式を変動成分について線形化し、複素固有値解析により安定性解析を行った結果、フラッタが発生し始める限界流速と張力の関係を予測することに成功した。また、フラッタの発生モードは進行波であることを初めて明らかにした。理論結果の妥当性は、実験によって確認された。したがって、本研究によって、2次元流れにさらされた紙や光ファイバーのフラッタ挙動は解明されたと言って良い。しかしながら、各パラメータの物理的な意味や現象に対する寄与の度合いについては今後の検討が待たれるところである。次に、制振システムの開発に関しては、風によるケーブルの自励振動を対象に選んで検討を行った。その結果、張力を5%程度変動させただけで、振動振幅を許容値以下に押え込むことが可能であることを見出した。機構設計に関する研究を行った後で、搬送システムへの応用が今後期待されるところである。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】1,900千円 (直接経費: 1,900千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】07650275 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

流体関連振動 / スロッシング / 自励振動 / 非線形振動 / 安定性 / いつ流 / シェル振動 / 高速増殖炉 / シェル

【研究成果の概要】

本研究では、わが国の次世代の原子炉の候補に挙がっている高速増殖炉(FBR)炉容器の炉壁保護系の安全性に関連した「流体と堰との連成自励振動」の安定性解析について研究を行ってきた。
対象となる振動系は、上流タンク、弾性堰、下流タンクから構成される。上流タンクに供給された液体は、堰をいつ流して下流タンクへと流れ込む。その時に、越流特性、落下特性が複雑に絡んで下流タンクに自励的な液面揺動が発生する。今回の研究では、特に、堰の項上部を流体が越流する時の流量と越流高さとの非線形な関係、堰に沿って落下する流体の速度の流量依存性、上流側タンクと下流側タンクの間の液位差に基づく静水圧による堰板のたわみと液位差の非線形な関係を反映しつつ、これまでの理論が、高次のスロッシングモードを伴う自励振動にも適用可能かどうか、また、実際のプラントのような多重円筒弾性堰構造に対しても妥当な結果をもたらすかについて理論と実験の両面から研究を行った。
解析においては、
(a)矩形容器を対象として、スロッシングの高次モードが発生する場合について解析を行い、上流側と下流側の液落差と供給流量をパラメータとして安定限界線図を作成した。
(b)さらに、二重薄肉円筒堰を対象として、円周方向定在液スロッシングが発生する場合について、上流側と下流側の液落差と供給流量をパラメータとして安定限界線図を作成した。
実験においては、解析と対応する、矩形容器、円筒容器をそれぞれ作成し、実験を行った。その結果、スロッシングの高次モードが発生する場合についても、これまでの理論は有効であることが始めて明らかになった。また、二重薄肉円筒堰の場合についても、特徴的な自励振動が発生することが初めて実験的に確認され、興味深い実験結果が得られた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】原子力学

【研究領域課題番号】03452299 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

流体関連振動 / 自励振動 / スロッシング / U字管振動 / 高速増殖炉 / 上部プレナム / 自由液面 / 噴流

【研究成果の概要】

以下に示す4種の自励的液面振動現象を発見し、それぞれについて現象の特徴を明らかにするとともに、発生メカニズムの考察を行った。
1.容器内液面が自励的に揺動する現象を発見し、その性質を明らかにした。さらに振動へのエネルギー供給メカニズムについて考察し、容器内の循環流の中心がそれ自身の作り出している上昇流側に片寄っている場合にはこれとスロッシングとの重畳の非線形効果のためスロッシングを成長させるよいな圧力変動成分が現れることを見出した。観察された現象はこれでほぼ説明できるが、2次モードの成長などに関しては他のメカニズムも作用している可能性があり、さらに検討が必要である。
2.短い連通管で接続された2つの容器内の液面が交互に上下する現象を発見し、その性質を明らかにした。振動は上流側容器内のフローパターンの変化に起因するもので、連結管の動圧が上流側容器に流入する流れの動圧と上流側容器内静圧のどちらから変換されるかで生じる液位差分だけ変動することが分かった。
3.容器底面中央の流入口から垂直に液面を突き上げる平板状噴流の自励的首振り現象を発見し、その性質を明らかにした。噴流が盛り上げた部分の両側斜面は射流となっており、噴流は液面近くの圧力伝播を遮る。しかしながら噴流そのものは両側の圧力差に応答した首を振る。したがって振動数は同じ液深のU字管のそれに一致する。噴流の圧力波に対する大きな応答性が関与する振動であることが分かった。
4.もぐり堰を介して連結されている多液面系の自励振動現象を発見し、その性質を明らかにした。振動は液位と流量がある関係を満たすときだけに発生する。溢流のある副容器ともぐり堰を介して主容器の一部につながる部分の振動が主容器内のスロッジングにエネルギーを供給しているものと判断された。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】4,000千円 (直接経費: 4,000千円)

【研究分野】機械力学・制御工学

【研究領域課題番号】02650173 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自励振動 / 流体関連振動 / 原子炉構成要素 / 高速増殖炉 / 越流堰 / スロッシング / 時間おくれ振動 / Time Delay

【研究成果の概要】

フランスの高速増殖炉ス-パフェニックス1号炉で観察された溢流によって発生する堰の自励振動について研究を行なった。まず実験室規模で、現象を再現することに努めた。具体的には、ステンレス製の薄肉同心多重円筒堰で仕切られた円筒形水槽とアルミ製の薄肉平板堰で仕切られた矩形水槽の2種類の実験装置を製作し、流量と落下高さをパラメ-タとして振動の発生条件を探るための実験を行なった。円筒形水槽ではスロッシングモ-ドの発生は確認できたが、流力弾性振動モ-ドの発生は確認できなかった。また、矩形水槽ではスロッシングモ-ドと流力弾性振動モ-ドの両方の発生を確認することができた。特に矩形水槽においては、同一流量のもとで、流力弾性振動モ-ドからスロッシングモ-ドに移行する場合が観察された。また、理論的な研究では、自由液面と円筒堰を連続体として扱う一段階前のモデルとして、自由液面の振動を耐震設計で用いられるハウスナ-モデルで置き換えて(すなわち、矩形水槽の中心に節が一つだけ現われる対称一次モ-ドを等価なバネ-マスモデルで置き換えて)、スロッシングモ-ドの解析を行なった。さらにより厳密な理論を構築するために、自由液面の運動と堰の変形を連続体として取り扱った理論を構築し解析を行なった。具体的には、タンク内部の液体の運動を記述するためにポテンシャル理論を適用し、溢流によって生じる流体力を運動量理論によって算出し、流量の連続の関係式と下流タンクのスロッシングの運動方程式を連立させて、不安定振動の発生条件式を導くことに成功した。その結果、自励振動の発生振動数は、下流タンクのスロッシングの1次固有振動数に等しいこと、ある範囲の落下高さの時に自励振動が発生すること、流量が多くなるほど自励振動が発生する落下高さの幅が狭くなることが明らかになった。結果は計算結果とよく一致し、理論の妥当性が検証された。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1990 - 1991

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)