ストローハル数

ストローハル数：流れの振動現象を捉える指標

流体力学において、ストローハル数（St）は流れの中に生じる振動現象の周波数を表す重要な無次元量です。この数は、流れの特性と振動の特性を関連付けることで、様々な現象の理解を深める上で役立ちます。

ストローハル数の定義

ストローハル数は以下の式で定義されます。

St = fD / U

ここで、

f：流れにおける振動現象の周波数（単位：s⁻¹）
D：流体の特性長さ（単位：m）。例えば、円柱周りの流れであれば円柱の直径、橋脚周りの流れであれば橋脚の幅など、対象となる流れの代表的な長さを示します。
U：流体の特性速度（単位：m/s）。これは、流れの速度を表す指標で、対象とする流れの平均速度や代表的な速度を用います。

この式からわかるように、ストローハル数は周波数、長さ、速度の3つの物理量の比で表され、次元を持たない無次元量となります。そのため、異なるスケールや単位系の流れを比較する際に有用です。

ストローハル数の応用例：カルマン渦

ストローハル数の重要な応用例の一つとして、円柱状の物体周りの流れで発生するカルマン渦が挙げられます。カルマン渦とは、円柱の後流に交互に発生する渦列のことです。この渦の放出周波数は、ストローハル数と密接に関係しています。

レイノルズ数（Re）が500から2×10⁵の範囲において、円柱から放出されるカルマン渦のストローハル数は、およそSt = 0.2という経験的な値をとることが知られています。この値は、円柱の直径や流れの速度によらず一定であるため、カルマン渦の周波数を予測する際に非常に有用です。

例えば、風速が既知であれば、このStの値と円柱の直径を用いることで、カルマン渦の発生周波数を計算することができます。この周波数は、構造物の振動や騒音の発生に影響を与えるため、橋梁や高層ビルの設計において重要な要素となります。

その他の応用例

カルマン渦以外にも、ストローハル数は様々な流れの振動現象を解析する際に用いられます。例えば、

風力発電機のブレードの後流
航空機の翼周りの流れ
海上構造物周りの流れ

など、多くの分野でストローハル数は重要な役割を果たしています。それぞれの現象において、特性長さや特性速度を適切に選択することが、正確なストローハル数の算出と現象の理解に繋がります。

まとめ

ストローハル数は、流れの振動現象を特徴づける重要な無次元量であり、様々な工学的応用において重要な役割を果たしています。特に、カルマン渦の周波数予測においては、その有用性が広く認識されています。今後、より複雑な流れの解析や数値シミュレーションの発展に伴い、ストローハル数の重要性はますます高まると考えられます。

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