ストローハル数 — CAE用語解説

ストローハル数 St = fD/U は、物体の後方で放出される渦（カルマン渦）の周波数fを、物体の代表寸法Dと流速Uで無次元化した値だよ。円柱のまわりの流れだと St ≈ 0.2 でほぼ一定。つまり風速と煙突の直径がわかれば渦の放出周波数が予測できる。この周波数が煙突の固有振動数と一致すると共振して大きく揺れる——これが渦励振だね。

例えば直径2mの煙突に風速10m/sの風が当たるとき、St = 0.2なら渦の放出周波数は f = St·U/D = 0.2×10/2 = 1Hz。もし煙突の1次固有振動数が1Hz付近なら渦励振のリスクがある。実際にタコマナローズ橋の崩壊は渦励振（正確にはフラッター）が原因と言われていて、ストローハル数の確認は構造の安全設計に直結するんだ。

非定常CFDで物体後方の速度や圧力の時間変動をモニタリングして、FFT（高速フーリエ変換）でピーク周波数を求める。そこからSt = fD/U を計算するんだ。RANS（URANS）でもカルマン渦は再現できるけど、LESやDESの方がStの予測精度が高いよ。

渦放出の計算にはこの非定常Navier-Stokes方程式を時間進行で解く。

広い範囲でほぼ一定だけど、厳密にはReに依存するよ。Re = 300〜10⁵くらいの亜臨界域ではSt ≈ 0.2だけど、Re > 10⁵の超臨界域では境界層が乱流に遷移してStが変化する。また断面形状によってもStは異なり、正方形断面ならSt ≈ 0.13、矩形断面ではアスペクト比で変わる。

渦放出・カルマン渦とReynolds数をセットで理解するのが大事だよ。

渦励振が心配な場合は、煙突にスパイラルフィン（ストレーキ）を巻いて渦の相関長さを短くする対策もあるよ。CFDでストレーキ有無の効果を比較するのも良い検討方法だ。