Analysis of dynamic characteristics and optimization of shape of rotator for ocean current generation by CFD
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19K04165
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Ochanomizu University |
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Principal Investigator |
河村 哲也 お茶の水女子大学, 基幹研究院, 教授 (40143383)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桑名 杏奈 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (00624628)
齋藤 文 成蹊大学, 理工学部, 助教 (00837510)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2019)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | 海流発電 / 流体シミュレーション / 複数配置 / 回転装置 / 数値計算 / 垂直軸型 / 回転座標系の埋め込み |
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| Outline of Research at the Start |
東日本大震災を契機に自然エネルギーの活用が重要になりつつあるが，代表的なエネルギー源である風力や太陽光は天候に左右される．そこで本研究では安定的なエネルギー源であり，かつ日本において潜在力が大きい海流や潮流を利用した海流・潮流発電に着目した．そして，数値シミュレーションを用い発電用回転装置の最適形状を決定する．具体的には，①流れの方向に左右されない垂直軸型回転装置と②水平軸型回転装置の中で海流・潮流発電に適している新型装置について，（1）海流・潮流に特徴的な流速パターン，（2）回転装置の複数配置という条件のもとで解析を行い，定量的データを得る．本研究の成果は海流発電の実用化に大きく寄与できる.
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は海流発電に適した回転装置の代表例として主として垂直軸抗力型のS字型回転装置をとりあげ、近接して２台設置された場合の相互作用に着目して数値シミュレーションする手法を開発した。また、次年度に向けて垂直軸直線翼型回転装置と水平軸まぐろ型回転装置に対するシミュレーションを行うためのテストプログラムを作成した。
S字型に対しては以下のとおりである。すなわち、一般に複雑な形状をもつ回転体のまわりの流れをシミュレーションする場合、回転体に固定した座標系を用いるのが計算精度の面から有利である。しかし、独立に回転する回転体が複数ある場合には回転座標系のとり方が問題になる。そこで複数の回転装置を個別に計算できるように領域分割してこの困難を回避した。個々の領域は外部領域と内部領域から成り立っているが、外部領域は長方形（直方体）形状をして複数の領域をつなげやすいようにしている。内部領域の中に回転装置をおくため、内部領域では回転座標系を用いている。内部領域と外部領域の間のデータの受け渡しには補間法が必要になるが、補間にともなう誤差が大きく、計算負荷が大きいなどの問題が生じる。そこで内部領域の外側境界および外部領域の内側境界を円形にすることによりこういった問題点を克服した。この方法を用いて、２台の回転装置まわりの流れの３次元シミュレーションにより、流れ場の解析を行い、トルク変動などの動特性を明らかにして、実用化に向けた基礎データを収集した。
直線翼型回転装置については、固定した長方形格子からなる領域に回転装置のブレードまわりの翼形に沿って、ブレード近傍に生成した格子が回転するという方法を考え、２次元のテスト計算を行い、プログラムの検証中である。
まぐろ型については、まず理想化したモデルについて３次元シミュレーションを行い、トルクに関連するパラメータの効果を調べた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
S字型回転装置の相互作用を見積もることができるプログラムがほぼ完成し、実用上有用と考えられるデータを得ることができた。また、これらの成果を国際学会、国内学会で発表するとともに査読付きの論文誌にも投稿し、掲載された。直線翼型回転装置に対しては、計算法にさらなる工夫が必要であることが分かったが、見通しを得ることができた。まぐろ型回転装置に対して、簡略化モデルに対しては、３次元流れに対し問題なく計算できるプログラムを開発することができた。以上のことから本研究はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度はS字型回転装置が２台近接しておかれた場合について注力した。計算法はほぼ確立できたと考えられるため、今後はパラメータスタディを行って、回転装置間の距離、回転方向、回転の位相差、流れの方向などのパラメータがトルクやパワーに及ぼす影響を調べる。本研究で開発した方法は原理的には回転装置が何台あっても使えるため、４台が隣接しておかれた場合も調べる。直線翼型回転装置のシミュレーションでは、2019年度のテスト計算で明らかになった、固定格子と回転格子とのデータの受け渡しのための補間法の精度の向上や、受け渡しをおこなったときの方程式の収束性の向上を目指してさらなる検討を行う。また３次元計算のためにプログラムを拡張する。まぐろ型回転装置のシミュレーションでは、2019年度の結果を踏まえ、ブレードの枚数や高さ、取り付け角、傾斜角など、トルクやパワーに影響を及ぼすと考えられるパラメータを系統的に変化させて回転装置の形状の最適化を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(11 results)
