[論文レビュー] An Experimental and Computational Study of Breaking Wave Impact Forces

Thomas C. Fu, Anne M. Fullerton+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 22被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、ナヴァル・サーフェース・ウォーキング・コンザルト（NSWC）の実験と、数値流体解析（NFA）コードを用いたCFDシミュレーションを通じて、正方形の板に対する波の破壊による衝撃力の挙動を調査した。波の破壊は、激しいジェットの発生、空気の混入、乱流によって、高圧力スパイクを伴うインパルス的荷重を生じさせることを明らかにした。また、多相流の動態を捉えるモデル化の課題が存在するものの、CFDはこれらの複雑で一時的な水理的力の予測を妥当に再現できることを示した。

ABSTRACT

The impact forces generated by the impact of a breaking wave are poorly understood. These impulsive hydrodynamic loads to a ship's hull are of short duration relative to ship motions and buoyant wave loads and often result in extremely high pressures. The physics of breaking waves is a poorly understood, complex, multiphase phenomenon involving violent jet sprays, strong free-surface turbulence, air entrainment and bubble generation, all of which interact with the flow field and the adjacent structure. This paper will describe a set of experiments that were performed, at the Naval Surface Warfare Center, Carderock Division (NSWCCD), in 2006, to measure the hydrodynamic loads of regular nonbreaking and focused breaking waves on a 0.305 m x 0.305 m (1.0 ft x 1.0 ft) square plate and discuss the results of this study. The paper will also discuss Computational Fluid Dynamics (CFD) code predictions of breaking waves and wave impact loads. The CFD code utilized in this study is Numerical Flow Analysis (NFA).

研究の動機と目的

• スケール化された構造的モデルに対する波の破壊による水理的衝撃力の測定。
• ジェットの形成、空気の混入、自由表面乱流を含む、波の破壊の複雑な物理的挙動の理解。
• NFAコードを用いたCFDシミュレーションによるインパルス的波衝撃力の予測能力の評価。
• 非破壊波および集中的破壊波に対する実験的測定値と計算予測の比較。
• 船体の耐久性向上のため、極限の一時的荷重を定量的に評価すること。

提案手法

• ナヴァル・サーフェース・ウォーキング・コンザルト（NSWC）、カーデロック支店で実施された実験。0.305 m × 0.305 m の正方形の板を用いて衝撃力の測定。
• 現実の海洋荷重条件を再現するため、規則的非破壊波および集中的破壊波の使用。
• 波の生成、破壊、板への衝撃をシミュレートするため、数値流体解析（NFA）CFDコードの適用。
• 空気-水界面の追跡と自由表面の動態をモデル化するため、体積関数（VOF）法の採用。
• 乱流モデルおよび多相流効果の組み込みにより、空気の混入と気泡生成を捉える。
• 実験データと比較して、CFDで予測された圧力履歴および力の時間歴を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波の破壊衝撃が、構造的板にどのようにインパルス的水理的荷重を生じさせるか。
• RQ2 ジェットの形成、空気の混入、自由表面乱流が、衝撃力プロファイルに果たす役割は何か。
• RQ3 NFA CFDコードは、波の破壊衝撃の複雑な動態をどの程度正確にシミュレートできるか。
• RQ4 測定された衝撃力とCFD予測との間で、ピーク圧力と力の持続時間の観点から、どのような差異が生じるか。
• RQ5 波衝撃中の極限の圧力スパイクを引き起こす主な物理的メカニズムは何か。

主な発見

• 波の破壊は、定常状態の波荷重を著しく上回る短時間の圧力スパイクを伴う極めてインパルス的衝撃力を生じる。
• NFA CFDコードは、ピーク衝撃力の一般的な傾向と大きさを捉えているが、タイミングやピークの分解能に若干の差異が存在する。
• ジェットの形成と空気の混入は、衝撃時の局所的高圧領域の主な要因である。
• 実験データは、同等の条件下で集中的破壊波が非破壊波よりも高いピーク力を発生させることを示している。
• 自由表面乱流および複雑な多相相互作用は、衝撃力の空間的・時間的分布に顕著な影響を与える。
• 本研究は、適切にキャリブレーションおよび検証された場合、CFDが極限の波衝撃力予測に実用的ツールとして有効であることを示している。