技術紹介

風洞試験による構造物の対風振動の評価
朝倉悠太 *1

Asakura Yuta

上島秀作 *2

Uejima Hidesaku

大型構造物は風による変形や振動などの耐風性問題に配慮する必要があり、設計段階において風洞試験や解析による検討が行われている。最近では CFD（流れ解析：Computational Fluid Dynamics）で検討可能な領域が増えたが、複雑な構造物の対風振動については風洞試験による検討が不可欠となる。PIV（粒子画像流速計測法：Particle Image Velocimetry）による流れの可視化手法は進歩し、流体現象の理解を助ける有効なツールとなっている。本稿では、当社が提供する構造物の耐風性、特に振動問題に関する風洞試験について概説し、最近実施した PIV による可視化試験の一例を紹介する。
キーワード：風洞試験、PIV、CFD

長さ8.0m の縦長の計測胴を持ち、最大風速は 20m/s

1. はじめにである。この風洞は主に 2 次元模型による要素試

風速に着目した場合、風洞試験は航空機などを験に用いられる。大型温度成層風洞は幅 5.0m、高対象とした高風速風洞での試験、大気中の諸問題

さ 1.8m、長さ 20m の測定胴を持ち、最大風速はを対象とした低風速風洞の試験に分類される。低8.0m/s である。この風洞は大気拡散を取り扱うた風速風洞で取り扱われる代表的なものは、構造物めの風洞で計測胴内に温度分布を持つ気流を生成の風荷重や振動などの耐風性の問題、プラントやすることができる。また、回流型の風路を持つた工場などからの汚染物質の大気拡散の問題などがめ、常温でも低風速域において安定した気流を実挙げられる。当社では IHI が所有する 3 つの低風現することができる。

速風洞設備（図 1）を運用して試験の計画・実施な

本稿では、当社が提供する構造物の耐風性、特に（1）どのエンジニアリングを提供している 。

振動問題に関する風洞試験について概説し、最近

大型大気乱流風洞の測定胴は幅 6m、高さ 3m、実施した PIV による可視化試験の一例を紹介する。

長さ 24m の大型で、自然風を模した境界層を生成（2）2. 構造物の風による振動現象するために十分な長さを有する。最大風速は 15m/sである。本風洞は橋梁、高層ビルなどの構造物全

図 2 は風による振動現象の原因を示すために、体を再現した模型の風洞試験に適している。加え橋桁など構造物の基本断面である矩形断面を例にて、拡散問題を対象とした環境風洞風試験にも用とり、断面周辺の剥離流れや渦などの流れの状況いられる。構造物安定性風洞は高さ 2.5m、幅 1.5m、を模式的に示したものである。

く*1：研究開発センター 研究開発グループ 一般計量士*2：計測事業部 計測技術部 部長 博士（工学） 技術士（建設部門）—

24—

（a）大型大気乱流風洞（b）構造物安定性風洞（c）大型温度成層風洞

図1

風洞設備

図 2 のように橋桁断面に風が作用すると、流れは断面前縁で上下方に剥離し、断面の上下に剥離渦や後流に渦流れを形成する。このような流れの変動が、橋桁断面に変動風力として作用する。ま図２

た、橋桁断面が振動すると、それがさらなる流れ断面まわりの流れの模式図

場の変化を引き起こし、振動と同調する変動風力（自励空気力）が生じる。これらの要素が合わさった変動風力が、振動の原因となる励振力となる。
構造物の風による振動は、上述した構造物まわりの流れ特性、すなわち、剥離流れや後流渦から作用を受けて生じる振動と自然風自体が持つ乱れによって生じる不規則振動に分類される。
渦励振は図 3 のように、限定的な風速域で発生する現象である。前縁剥離渦や後流渦は上下方向
図３の交番的な空気力を橋桁に作用させるが、ある風—25—

橋桁の風速と振動振幅関係の例
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速領域において、橋桁の上下方向やねじれ方向の3. 風洞試験固有振動数と一致する。共振状態に達し、振動が（4）（5）

図 4 に橋梁の風洞試験状況の一例を示す

大きく励起される現象が渦励振である。

。

一方、フラッターは自励振動の一種である。フ

全体模型試験は橋梁構造全体について模型化したラッターは図 3 のように風速の増加に対して振動弾性模型を用いる試験である。静的現象のみならが急速に大きくなる破壊的な振動現象であり、旧ず振動現象も対象とするため、弾性模型では幾何（3）タコマ橋（米国）を落橋させた現象である 。橋桁学的に加え、振動特性も相似する必要がある。同のフラッターは通常、ねじれ振動や、ねじれと上時に外力としての風特性の相似性、例えば自然風下たわみの連成振動を示す。フラッターと区別しの乱流特性の相似性などを考慮することで、図 4て辺長比（= 幅 B ／高さ D）の小さい比較的縦長の（a）のように全体模型試験は実橋の現象を精緻に橋桁で発生する上下方向 1 自由度の自励振動は特再現することが可能となる。にギャロッピングと呼ばれる。

部分模型試験は構造物の一部分を抜き出した要図 3 において破線で示したガスト応答は自然風素模型を用いる試験である。図 4（b）はその一例に含まれる乱れによる強制振動で、不規則な振動で橋梁ケーブルの部分模型試験である。模型自体応答を示す。また、風速が大きくなるに従って応は剛体であるが、上下振動が可能となるように両答振幅も次第に大きくなる傾向がある。上下方向端部をばね支持し振動状態を相似することで、風のたわみ振動も当然ながら発生するが、風向方向による振動現象を再現することが可能である。部の乱れ成分に対して水平方向の振動も顕在化する

分模型試験は全体模型試験に対して、使用する模ことが多い。

型が簡易であり、風向、模型形状、振動特性など

以上に橋桁を例として風による振動応答の概要

試験条件の変更が容易なため、パラメータ検討をを示したが、他の陸上構造物でも同様な現象が起目的とした試験などに適している。

こり得るので、柔な構造物については設計上配慮が必要である。

（4）

（5）

（a）全体模型試験（b）部分模型試験

図4

風洞試験（橋梁）の例—

26—影することにより、最初に撮影した時刻 t と次に4. 流れの可視化撮影した t + Dt では、Dt の分だけトレーサ粒子が構造物の風洞試験では、風荷重低減策や振動抑移動することになる。したがって、時刻 t および制策を検討するために、形状や振動特性などを幅

時刻 t + Dt にて撮影されたトレーサ粒子画像から広く変化させ、風荷重や振動が小さくなる最適形

画像上の計測対象領域にある粒子群の移動量 Dx状を求める検討が行われる。このとき、試行錯誤と 2 つの時刻の撮影間隔 Dt より流れ場の局所速度的に試験を繰り返すのではなく、振動の原因となを求める。このとき、トレーサ粒子は、この計測る流れの構造やメカニズムを推測し、その流れ場対象領域内の局所速度にて移動していると仮定しの変化に着目しながら最適な形状を探すのが合理ている。この局所速度を撮影した画角全体につい的である。そのツールとして、CFD や風洞試験によて計算し、速度ベクトルを算出する手法が PIV のる流れの可視化は近年実用性が向上している。風

基本原理である（6）（7）。

洞試験については、PIV など可視化手法が進化し、PIV 計測のメリットは、着目する 2 次元平面内、当社でもその高度化に取り組んでいる。以下、基本

さらには高速度カメラを複数使用することにより、的な PIV による可視化事例を紹介する。

3 次元空間の速度分布を一度に計測できることである。従来の熱線風速計やレーザドップラ流速計

4.1 PIV の基本原理のように 1 点ずつ空間中の流速を計測するものと

PIV の計測原理を図 5 に示す。PIV 計測とは、流比較すると、計測時間を大幅に短縮することが可れ場とほぼ同じ比重の微小トレーサ粒子を均一に能である。しかし、適切な計測条件を設定するこ拡散させ、レーザなどの光源を瞬間的にシート状とは必ずしも容易ではない。例えば、計測範囲にに照明し、高速度カメラで 2 つの時刻の瞬間的なトレーサを十分にシーディングすることは難しく、トレーサ粒子の散乱光を撮影することで流れの速満足できる結果を得るためには、ノウハウや工夫度場を得る手法である。2 つの時刻で連続的に撮を重ねる必要がある。
4.2 PIV による振動角柱の流れの可視化
4.2.1 PIV システム
図 6 は本試験で用いた PIV 計測システムの構成である。ダブルパルスレーザ、高速度カメラ、プログラミングタイミングユニット（PTU）、計測用PC から構成されている。ダブルパルスレーザは
KANOMAX 社製の Nd:YAG レーザを使用し、1 ～14Hz まで可変、かつ、最大 50mJ のパルスエネルギのレーザを発振することが可能である。高速度カ
メラ、PTU、計測用 PC は LaVision 社製のものを使用した。高速度カメラの解像度は 1600 × 1200pixelである。PTU は、計測用 PC からの信号をダブル

図5

PIV 計測原理

パルスレーザと高速度カメラに伝達し、レーザと—

27—

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図6実験装置構成

4.2.2 可視化条件

カメラを同期させるものである。計測用 PC は、PIV の計測および流速を算出するための解析に使

本試験では正方角柱模型を対象に振動時の断面ま用した。シーディング装置は、専用のオイルを加わりの流れの可視化を行った。図 7 に計測状況を示

熱し気化させることで、白色かつ粒径 1mm 程度のす。温 度 成 層 風 洞の計 測 胴に一 辺 が D = 50mm、オイルミストを発生させ、ノズルを使用して風洞L = 600mm の正方角柱模型を上下（鉛直）1 自由度内に混入させた。シーディング装置のノズルは、系にばね支持した（図 7（a））。角柱模型の振動変風洞上流の整流板位置に設置し、気流の一様性に位はレーザ変位計を用いて計測し、基準風速の計極力影響を与えないように配慮した。

測のために超音波風速計を計測胴流入口に設置した。図 7（b）に PIV 計測状況を示す。図 7 のよう（a）角柱の支持状態（b）PIV 計測状況の一例図7—

計測状況
28—

に角柱模型の中央断面にレーザーシートを照射し、ハイライトされたトレーサ粒子を含む気流を高速度カメラで計測した。高速度カメラにて撮影する範囲（画角）は、角柱断面を含み、流れ場についてはやや後流側にシフトした 480 × 360mm とした。
振動時の 1 周期の流れの変化を十分に把握するために、模型の振動数（f = 1.9Hz）の約 7 倍で PIVの計測を行うこととし、ダブルパルスレーザおよび高速度カメラのサンプリングレートを 14Hz とした。レーザのダブルパルスの間隔 dt は、トレー

図8角柱模型の風速と振幅の関係

サ粒子がダブルパルスの間隔 dt の間に 5 ～ 10pixel程度粒子が移動するような間隔とするため 1000msで除した無次元風速とし、縦軸も振幅 A を断面寸とした。レーザ変位計は、サンプリングレートを法 D で除した無次元振幅としている。U/f D = 8.0 付

140Hz で計測し、PIV との同期をとった。

近よりギャロッピングが発生し、図 8 のように応答振幅が急増している。正方角柱では渦励振は顕4.2.3 試験結果在化せずにギャロッピングが発現することが知ら（1）角柱の対風応答れているが 、本試験でも同様の応答特性が得ら（7）れている。

風洞風速 U = 0.1 ～ 1.0m/s までの角柱の鉛直方向（2）PIV による角柱の流れ計測結果の応答を計測した。1 回あたりの応答計測は 10 秒間とし、その間の平均値から風速と振幅を評価し可視化時の無次元風速はギャロッピングが発現た。図 8 は角柱模型の風速と応答振幅の関係であしている風速域（U/f D = 10）とした。図 9 に振動状る。横軸は風洞内風速 U を振動数 f と断面寸法 D

態での可視化時の角柱模型の変位の時刻歴を示

図 9 “振動状態”の変位時刻歴と PIV のタイミング—29—

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す。これは、片振幅 = 6mm（A / D = 0.12）で一定振幅

一方で、静止状態と振動状態の中央点の流れ場はでの強制加振し、ギャロッピングを再現した状態よく似ていることがわかる。このとき前縁で剥離しである。PIV 計測は図 9 のとおり 10 秒間実施した流れが上下面に再付着せずに後流に放出されカた。また比較のため、模型の静止状態についてもルマン渦を形成する過程が良く捉えられている。

同様に計測した。図 10 に PIV 計測結果から求め今回の可視化で得られた流れ特性は、同種角柱をられた流線図を比較した。これらは（a）静止状態、対象にした既往の試験結果 とも整合している。

（b）振動状態における上死点に達したとき、（c）中PIV を用いてそのギャロッピング時の非定常流れ央に達したとき、（d）下死点に達したときの PIV 計場を明確に可視化できることがわかった。今回は測結果の瞬時値データに基づくものである。カ

正方角柱の 1 断面の 1 風速での可視化結果である

ラーコンタは速度の大きさを示している。

が、断面の違いが流れ場にどのように影響を与え（8）て、応答がどのように変化するか、の評価への有振動状態において、その 1 周期の間に上死点、下効性が期待できる。

死点、中央点での流れの違いが明確に表れている。

（a）静止状態（b）振動状態（上死点）（c）振動状態（中央）（d）振動状態（下死点）

図 10

PIV 計測による流線の比較（U /fD =8.0）—30—

5. 今後の課題

参考文献

PIV による可視化結果は構造物の対風現象を流（1） 研 究 開 発 支 援 の た め の 技 術：IIC REVIEW、れ場の面からの考察を行う上で有用なツールであNo.40、2008/10、pp.75-101

る。今後流れ場の解析技術が進み、流れ場を計測（2） 日本道路協会：道路橋耐風設計便覧、2008

することは従来以上に流体現象解明に有効となる（3） Richard Scott 著、勝地弘、大橋治一、鳥海隆と考えられる。振動現象と流れの関連を分析し振一、花井拓 訳：タコマ橋の航跡 吊橋と風との動現象の改善などに結びつけるために、位相平均処

闘い、三恵社、2005

理して振動の同調成分を抽出する処理や、POD 解

「ビン橋」
（ベ
（4） 上島秀作、松田一俊、薮野真史：

析（固有直交分解：Proper Orthogonal Decomposition）

トナム）の風洞試験、石川島播磨技報、第 46など現象に影響を与える流れ構造を抽出する試み

巻、第 1 号、2006、pp.24-30（5） 中 村 純 生： 風 洞 の 高 風 速 化 へ の 一 例、IICなども行われている。今後は、それらも含め、PIVをはじめとする流体可視化技術を向上させていく

REVIEW、No.51、2014/04、pp.60-64（6） 可視化情報学会編：PIV ハンドブック、森北予定である。

出版、2002（7） 山崎裕大、杉本高志、遠山直樹：PIV（粒子画像流速測定法）による流れ計測、IIC REVIEW、
No.31、2004/04、pp.40-46（8） 溝田武人、岡島厚：振動する角柱まわりの流線と非定常流体力に関する実験的研究、土木学会論文報告集、第 327 号、1982、pp.49-60

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FAX. 045-791-3542—31—

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