交通標識に作用する風荷重の推定   windload.pdf

目的

交通標識に適した断面形状を選定するために，標識まわりの風の流れのシミュレーションを行い，標識に作用する風荷重の推定を行った．

解析手法

流体解析の基礎方程式は非圧縮性Navier-Stokes方程式とし，離散化には有限差分法を用いる． 流体と個体の境界はImmersed boundary method (IBM)で取り扱う． スカラー，ベクトル，テンソルの諸量はスタガード配置である． また，計算格子は八分木構造に基づくBlock-structured adaptive mesh refinement (SAMR)により生成され，流れ場に応じて動的に最適化される．

解析条件

交通標識の断面形状として図1の凡例に示すCase1 ~ 4を取り扱った． 今回，標識の支持部(脚部)は省略した． また，接近流として一様な速度分布を用いた． 交通標識の幅B，一様流入速度Uおよび空気の粘性係数μを用いて決定されるReynolds数はRe=ρUB/μ=10000とした．

解析結果

Flow Field
図1 断面形状と抗力係数(Cd)の関係

従来の断面形状に近いCase1では抗力係数Cd=1.14であったのに対し，厚みが増すにつれてCase2と3ではCd=1.07，Case5ではCd=0.88と抗力が低減される傾向がみられた． また，いずれのCaseにおいても抗力係数の時間変化はほとんどみられなかった． 抗力を低減するという目的に対してはCase4が適していると結論付けられる．










考察

Pressure
図2 交通標識まわりの圧力分布
左 : Case1     右 : Case4

Flow Field

図3 交通標識まわりの流れ場(Case2)
圧力係数(Cp)の等値線と可視化断面法線方向まわりの渦度のシェーディング
Flow Field

鈍頭物体の場合，物体に作用する流体力は圧力によって概ね決定される． 今回，最も差が大きかったCase1とCase4の断面まわりの圧力分布を図2に示す． Case1では風上面全体が高圧である一方でCase4では風上面にも低圧がみられる． このことから，厚みが増すにつれて抗力が低減された要因は，風上面の高圧領域が縮小されたためだと考えられる． 両端の影響が無視できるほど長い角柱ならびに円柱，加えて球の抗力係数はそれぞれCd=2.05，Cd=1.17 ，Cd=0.47程度である[1]． これに対し，標識の形状は楕円柱を二つ交差させたものと考えられる． 今回得られた抗力は，角柱と円柱の中間の値に対して有限長さ(3次元性)による抗力低減を考慮すると妥当な結果であると言える．

図3に示すように，標識の後流域では複雑な流れ（乱流）が発達している． 標識を剥離した流れに沿って強い渦度（橙色と青色のシェーディング）とそれに伴う強い低圧（青色の等値線）がみられる． 標識から少し離れた位置で渦が発達し，強い低圧が発生しているため，標識に作用する抗力に後流渦が直接的な影響を与えることは無く，ほとんど定常的な抗力をもたらす結果になったと考えられる．








参考文献

[1] S. F. Hoerner, “Practical Information on AERODYNAMIC DRAG and HYDRODYNAMIC RESISTANCE”, S. F. Hoerner (Published by Author), (1965).