螺旋状のストレーキ

煙突の2条螺旋ストレーク

ヘリカル・ストレーキ（別名スクルートン・ストレーキ）は、流体の流れを阻害するために構造物に沿って配置された螺旋状のフィンです。カルマン渦列を形成する渦を阻害することで疲労を軽減し、結果として生じる振動を低減します。1957年にクリストファー・スクルートンとDEJ・ウォルシュによって導入されたヘリカル・ストレーキは、気流や水流によって引き起こされる振動を制御するための工学的ソリューションとして広く採用されています。

説明

螺旋状のストレーキは、構造物に沿って螺旋状に伸びるフィンです。 [ 1 ]煙突やパイプラインなどの円筒形物体[ 2 ]によく使用されます。スクリューの頭から始まるストレーキは構造物に沿って伸び、流体の流れによって形成される渦を乱します。 [ 3 ]これにより、流れが異なる高さで分散され、構造化された渦が形成されなくなります。[ 4 ]このように、ストレーキは振動を減らし、疲労を軽減します。[ 5 ]渦が交互に形成される可能性を最小限に抑えるため、複数のストレーキがよく使用されます。[ 6 ]ストレーキは単独で使用することも、フェアリングなどの他のデバイスと組み合わせて使用​​することもできます。[ 3 ]

条帯は構造物全体に敷設する必要はありません。振動抑制効果は流速の速い部分で最も顕著に現れ、流速の遅い部分では効果が小さくなります。[ 7 ]そのため、多くの構造物は振動が最も大きい部分のみに螺旋状の条帯が敷設されています。[ 8 ] 多くの場合、構造物の上部3分の1に限定されています。[ 6 ]例えば深海構造物では、条帯は表層流にさらされる部分のみを覆い、下流の流速の遅い部分は管状のまま残されます。[ 8 ]

螺旋状のストレーキのセクションは、一般的に短い長さのものを組み立てて作られます。[ 9 ]このように、ストレーキは一般的に複数のセグメントで構成され、その数は被覆する構造物の長さによって決まります。金属ストレーキは、より大きな板から、スタックの周回回数に応じた曲率半径で切り出されます。 [ 10 ]一般的に、ストレーキのピッチは16～17.5 Dですが、他のピッチが使用される場合もあります。[ 11 ]

螺旋状のストレーキは、フェアリングなどの代替手段に比べて流れの方向の影響を受けにくい。[ 2 ]しかし、いくつかの欠点がある。平均抗力が大幅に増加し、[ 12 ]結果として荷重が増加する。[ 6 ]ストレーキは、特定の質量減衰パラメータの下では効果が低下する。流れが乱流の場合、ストレーキの効果は低下する。同様に、ストレーキは互いに下流に配置されている場合も効果が低下する。[ 12 ]最初のストレーキの後ろの後流は不安定であるため、下流のストレーキの効果は大きく変化する。交互に配置された螺旋状のストレーキも同様に効果が低下する。[ 13 ]円筒に垂直な構造物が存在する場合も、ストレーキの効果は低下する。[ 14 ]

歴史

細長い構造物は、渦誘起振動による疲労損傷を受けやすい。[ 15 ]これは、外部流体の流れが構造物の背後にカルマン渦列 （一連の交互渦）を作り出す結果である。 [ 16 ]そのため、これらの振動を理解し抑制し、気流や水流にさらされる構造物の損傷を軽減するための広範な研究が行われてきた。振動緩和の受動的な手段として、トリップワイヤや分割プレートなど、さまざまな幾何学的形状が提案されている。 [ 15 ] [ 17 ]能動的な方法として、電気的方法、回転振動、フィードバック制御などの他のアプローチが使用されている。[ 18 ]

らせん状のストレーキは、渦放出によって引き起こされるカルマン渦列を乱すように設計されています。

1957年、英国国立物理学研究所のクリストファー・スクルートンとDEJ・ウォルシュは、渦放出過程を阻害することで渦誘起振動を抑制する手段として、長方形断面を持つ螺旋状のストレーキの使用を研究した。[ 19 ]この実験の成功により、螺旋状のストレーキはスクルートン・ストレーキと呼ばれるようになり、[ 1 ]その後の研究者たちはストレーキの性能向上と水中での設計の有効性の研究に取り組んだ。[ 20 ]ストレーキは1960年代に風工学の一要素として広く採用され始め、1970年代には海洋搭載型が導入された。[ 21 ]ストレーキは「渦放出を抑制する最も成功し、広く使用されている手段の1つ」となった。[ 22 ]

ストレーキに関する研究では、フィンのピッチ、高さ、密度、形状だけでなく、スクリューヘッドの数など、様々な要素が設計効率に与える影響が調査されてきました。一般的に、ストレーキの高さが高いほど、また三条目構造の方が、空気環境と水環境の両方でより効果的であることが分かっています。[ 5 ]ストレーキの抗力への影響を低減するための新しい形状の可能性について、いくつかの研究が行われています。提案されている新しい設計には、鋸歯状のストレーキ[ 23 ]や、フィンではなく内部に突出した溝によって流れを乱す逆らせん状のストレーキ[ 24 ]などがあります。

参考文献

  1. ^ a bフェルドマイヤー 2020、136頁。
  2. ^ a b徐 2022、2110頁。
  3. ^ a b白・白 2005、429頁。
  4. ^ Xu & Ma 2024、p. 185.
  5. ^ a b徐ら。 2017、p. 439.
  6. ^ a b cエスコ 2011、57頁。
  7. ^アレン & リアピス 2014、p. 84.
  8. ^ a bアレン & リアピス 2014、p. 85.
  9. ^アレン & リアピス 2014、p. 87.
  10. ^エスコ 2011、58～59頁。
  11. ^白・白 2005、430頁。
  12. ^ a b Naudascher & Rockwell 2012、p. 165。
  13. ^ Xu & Ma 2024、p. 188.
  14. ^ Zdravkovich 1981、154ページ。
  15. ^ a b徐ら。 2017、p. 438.
  16. ^アッシ＆クレスピ 2020、p. 287.
  17. ^ Xu & Ma 2024、p. 187.
  18. ^ラシディ、ハヤトダヴォーディ、エスファハニ 2016、p. 57.
  19. ^徐他 2017、438頁
  20. ^ Zdravkovich 1981、152ページ。
  21. ^ Xu 2022、pp. 2109–2110。
  22. ^ Zdravkovich 1997、778ページ。
  23. ^アッシ＆クレスピ 2020、p. 288.
  24. ^キルナーら 2018 .

引用文献

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