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Development of Evaluation Method for Power Generation Performance in Waves of Ocean Energy Utilization Devices Using 3D High-Speed Vortex Method

Research Project

Project/Area Number 21H01551
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 24020:Marine engineering-related
Research InstitutionSaga University

Principal Investigator

Nagata Shuichi  佐賀大学, 海洋エネルギー研究所, 特任教授 (30404205)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高尾 学  松江工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (00332057)
石田 茂資  佐賀大学, 海洋エネルギー研究所, 客員研究員 (30360712)
萩原 世也  佐賀大学, 理工学部, 教授 (80198647)
今井 康貴  佐賀大学, 海洋エネルギー研究所, 准教授 (90284231)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
Keywords波力発電 / 浮体式洋上風力発電 / 3次元渦法 / 発電性能 / 境界要素法 / 水槽実験 / 発電性能評価
Outline of Research at the Start

本研究では、高速多重極法とGPGPU技術を導入して、粘性流体を対象に、大幅に高速化された3次元渦法をベースに、水面の非線形性、浮体表面から発生し、流体中に放出される渦の粘性拡散影響を正確に考慮した高速3次元粘性流体解析法を開発する。この流体解析法を基に、3次元浮体の運動を時間的に追跡できる浮体運動計算法を開発する。
開発した解析手法を、模型を用いた水槽実験結果と比較することにより計算精度を確認した後、波力発電装置、洋上風力発電装置等の海洋エネルギー利用装置の発電性能解析に適用して、装置の最適設計を行う。

Outline of Final Research Achievements

In order to evaluate the performance of floating wave energy converters and offshore wind turbines, we have applied the 3D vortex method to the analysis of viscous fluids with fluid velocity and vorticity as unknown quantities, and proposed an analytical method that can accurately account for nonlinearities on free surface and diffusion effects of vortices generated from the floating body surface and released into the fluid. Based on previous literature, we selected rigorous boundary conditions for viscous fluids with fluid velocity and vorticity as unknowns, and proposed a method to rigorously account for vorticity generation and absorption at the body surface and free surface locations using “Boundary vorticity flux”. The problem in the 3D calculation was also considered. In order to validate the calculation method, a model of a floating oscillating water-column type wave energy converter with an air turbine was constructed, and significant experimental data were obtained.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

波浪中の波力発電装置や、減揺装置を設置した浮体式洋上風力発電装置の最適設計を行うために、流体の粘性を考慮して、装置端部から生じる渦の発生と流体内への拡散や、自由表面での渦の発生や吸収を正確に評価できる“3次元渦法に基づく浮体挙動解析手法”を提案した。流体境界位置での“渦度発生流束”を用いて、渦の発生や吸収を考慮する方法を示した。また、計算法の検証のために、波力発電装置模型に関する実験データも取得した。本研究で提案する解析法は、粘性影響の考慮が必要な浮体式海洋構造物の一般的な性能解析法となるものである。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 3 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Effects of Air Chamber and Curtain Wall Geometries on Energy Conversion Performance in a Fixed Oscillating Water Column-Type Wave Energy Converter2022

    • Author(s)
      T. Murakami, Y. Imai, S. Nagata and M. Takao
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 217 Issue: 1 Pages: 012069-012069

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2217/1/012069

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Numerical Analysis of a Floating Body Pendulum Wave Energy Converter Using Vortex Method2022

    • Author(s)
      Paresh Halder, Shuichi Nagata
    • Journal Title

      OCEANS

      Volume: - Pages: 1-6

    • DOI

      10.1109/oceanschennai45887.2022.9775275

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] An Impulse Turbine with Asymmetric Cascade for Wave Energy Conversion2021

    • Author(s)
      K. Kanetsuki, M. Takao, M. M. A. Alam, S. Okuhara, Y. Kinoue and T Setoguchi
    • Journal Title

      Asian International Conference of Fluid Machinery

      Volume: -

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 波力発電用二重反転衝動タービンに関する研究, (性能に及ぼす回転数比の影響)2024

    • Author(s)
      周藤功一郎,白石翔大,高尾学, 奥原 真哉,アラム アシュラフル, 木上 洋一
    • Organizer
      日本機械学会中国四国支部 第62期総会・講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 自由表面を持つ粘性流体への渦法適用における境界条件に関する考察2023

    • Author(s)
      永田 修一, 今井 康貴, 岡本 豊
    • Organizer
      第30回海洋工学シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Experimental Investigation on Performance of Counter-rotating Impulse Turbine with Middle Vanes for Wave Energy Conversion2023

    • Author(s)
      Koichiro Suto, Manabu Takao, Toi Ogawa, Shinya Okuhara, Navneet Kumar, M.M.A. Alam and Yoichi Kinoue
    • Organizer
      Proceedings of the 15th European Wave and Tidal Energy Conference
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 粒子法によるスパー型洋上風力発電の揺動挙動解析2023

    • Author(s)
      萩原 世也,鐘江 安史,出田 陸斗,田中 智行,武富 紳也,只野 裕一
    • Organizer
      第28回計算工学講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 粒子法を用いたスパー型洋上風力発電の減揺のための検討2023

    • Author(s)
      出田陸斗,萩原世也,田中智行,武富紳也,只野裕一
    • Organizer
      日本機械学会 第35回計算力学講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 海洋エネルギー利用技術の動向2022

    • Author(s)
      永田修一
    • Organizer
      一般社団法人日本船舶技術研究協会、技術開拓未来塾
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 海洋発電の実用化について2022

    • Author(s)
      永田修一
    • Organizer
      日本機械学会関東支部講習会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Development Performance Evaluation Method for a Floating OWC-type Wave Energy Converter, “Backward Bent Duct Buoy”2022

    • Author(s)
      Shuichi Nagata
    • Organizer
      International Seminar on Ocean Energy 2022, Institute of Ocean Energy Saga University
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 非対称な翼列形状を有する波力発電用衝動タービンに関する研究2021

    • Author(s)
      金築光太郎, 高尾学, 奥原真哉, アラム アシュラフル, 木上洋一, 瀬戸口 俊明
    • Organizer
      日本機械学会第99期流体工学部門講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Book] Trends in Renewable Energies Offshore- Study on impulse turbine for bi-directional airflow with asymmetric cascade-2022

    • Author(s)
      K. Kanetsuki, M. Takao, Y. Ito, S. Okuhara, M.M. Ashraful Alam, Y. Kinoue, T. Setoguchi
    • Total Pages
      6
    • Publisher
      CRC Press
    • ISBN
      9781003360773
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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