円柱後流のカルマン渦 ― PIVデータからのPOD解析

2025/02/07

燃焼・流体・粒径計測

【計測事例】円柱の後流（カルマン渦）のPIVデータからPOD解析

PIV（Particle Image Velocimetry）では、流れ場の瞬時速度分布を時系列で取得することができます。
円柱後流では、円柱の両側から渦が交互に放出される「カルマン渦」が形成されます。

瞬時のPIVデータには、この周期的な渦放出による速度変動と平均的な流れが重なって含まれています。
POD（Proper Orthogonal Decomposition：固有直交分解）は、多数のPIV瞬時速度場から、流れを特徴づける主要な構造を抽出する解析手法です。

今回の解析では、まずすべての瞬時速度場を平均した速度場を「Mode 0（Average）」として表示しています。
Mode 0では、円柱後方に形成される速度欠損や後流の広がりなど、時間平均された基本的な流れの構造を確認することができます。

一方、Mode 1以降では、平均速度場からの速度変動をPODによって複数のモードに分解しています。

それぞれのモードは特徴的な変動の空間構造を表し、変動運動エネルギーへの寄与が大きい順に
Mode 1、Mode 2、Mode 3……と並びます。

円柱後流のカルマン渦のような周期的な流れでは、PODモードがMode 1とMode 2のように、近いエネルギーを持つペアとして現れることがあります。
これは、移動する周期的な渦構造を、異なる位相を持つ空間モードとして表現しているためです。

今回の動画では、Mode 1–2、Mode 3–4、Mode 5–6をそれぞれペアとして表示し、円柱後流に含まれる特徴的な変動構造を可視化しています。
一般に低次のPODモードほど変動エネルギーへの寄与が大きく、流れを支配する大規模な構造を捉えます。

一方、高次のモードになるにつれて、より小さなスケールの構造や高周波の変動などが含まれるようになります。

このようにPOD解析を用いることで、多数の瞬時PIVデータから平均流れと変動成分を分離し、
円柱後流に形成されるカルマン渦をはじめとした特徴的な流動構造を抽出・可視化することができます。