2015 Fiscal Year Research-status Report
高耐塵性・低環境負荷な低回転ボルテックス水車の動作解析と設計指針の開発
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15K00643
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| Research Institution | Toyama University of International Studies |
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Principal Investigator |
上坂 博亨 富山国際大学, 現代社会学部, 教授 (50329364)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中川 慎二 富山県立大学, 工学部, 准教授 (30337878)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ボルテックス水車 / 渦水流 / 流体シミュレーション / ゴミ流入 / 設置コスト / 魚道 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的はゴミ対策と耐久性に極めて優れ，設置工事が少なく魚道が不要などの利点の多い「渦巻き利用型発電用水車（低回転ボルテックス水車）」の動作機序を明らかにして発電効率を向上させ，当該水車を実用化レベルに引き上げる事である。研究ではまず低回転ボルテックス水車における水流，気流，水面変形を再現するための数値シミュレーション手法を開発した。オープンソースCFDソフトウェアOpenFOAMを利用し，運動量輸送方程式と液相率（Volume of Fluid）輸送式を解くことで空気と水の運動を求めるVOF法を採用した。実験機形状を再現したコンピュータモデルを作成し，平均流量を境界条件として与えた。
まずボルテックス水車の性能基準となる渦水流の流体特性を数値シミュレーションで再現するために，水車ブレードを設定しない状態での容器内流れを解析した。これを実験データと比較することで，シミュレーションによる予測精度を検討した。実験にもちいた渦発生容器は直径1.5m，深さ1mのアルミ容器で川端鐵工株式会社（黒部市）の協力によって提供された。渦水流における流速分布はプロペラ式流速計によって計測した。
次に水車ブレードを取り付けた状態での容器内流れを解析した。まず実験によって規定流量の元での発電出力を計測し，実験水車の性能を確認した。シミュレーションでも同様に水車ブレードを挿入した場合の解析を実施し出力を計算した。またブレードの取り付け位置（容器底面からの高さ）が出力に与える影響を調査した。実験と同様に，取り付け位置を低くすることで出力が上昇することを確認した。この時，水車ブレードに働く水圧の時系列変化を取得し，水車出力が変化する機序を明らかにした。また容器内での水流の変化を動画で観察することによってボルテックス水車内部での流体の振る舞いも確認できた。
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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
本研究ではまず水車容器内での渦水流の状態を数値シミュレーションで再現することが必要である。実験によって測定された渦水流の速度分布は渦周辺部分から中心にかけて加速度的に流速が上昇し中心付近が最大となる。渦中心では容器底面の排水口に向かって急激に落ち込む下向き方向の流速が大きくなる。このような特徴的な速度分布を再現するために容器壁との相互作用を考慮したメッシュ生成と乱流モデルの変更に注意を払った。容器壁との相互作用は渦外周の流速に影響を与えるが，渦全体の速度分布に影響するほどではなく，乱流モデルの影響が大きいことが明らかとなってきた，現時点ではまだ完全な再現には至っていないが乱流モデルの調整によって問題に取り組んでいる。
一方，水車ブレードを挿入したモデルでは，回転軸とブレード面が平行であるモデルを基本としながら，実際に川端鐵工(株)により開発された改良型ブレードについてもシミュレーションを実施した。これは従来品に比べて，回転軸とブレード面が傾斜角を有して接合されている特徴がある。この実機を再現するために，数値予測精度の向上を目指した6面体構造格子を基本とするメッシュを採用し，水車ブレード等の形状に適合するよう，局所的に細分化しながら，形状適合メッシュを生成した。渦水流発生容器の代表スケールは1.5mであるのに対し，水車ブレード厚みは1mmであり，モデル内でのスケール比が大きく，メッシュ生成に細心の注意が必要であった。これにより詳細部分を再現しながらメッシュ数を抑制するメッシュ生成手順を確立した。シミュレーション制度を向上するにはブレード面近くで詳細なメッシュを形成することが必要となった。その結果，必要な計算能力が高くなり，計算に要する時間が長くなった。新規導入した24並列計算機によって，この問題に対応した。
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| Strategy for Future Research Activity |
低回転ボルテックス水車の設計にシミュレーションを役立てるためには，解析精度のさらなる向上が求められる。精度向上の要因となる，メッシュ構成，乱流モデルについて，それぞれの影響を明確にする。メッシュ構成については，気相部でのメッシュ粗大化・ブレード近傍での微細化・液面付近の微細化などを実施し，その効果を調べる。はく離と再付着を伴う流れに強いとされる乱流モデルを使用し，安定性・計算速度・精度への影響を調査する。
シミュレーション対象が時間とともに変化する非定常現象であるため，得られる情報量が莫大となり，その後処理や情報の抽出に時間と手間が掛っている。この処理を効率的に実践するための自動化とPC環境整備を進める。これによって，低回転ボルテックス水車内部の流動を深く理解し，エネルギー取り出し機序を明確にしていく。これにより，水車の設計指針の確立を目指す。
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| Causes of Carryover |
平成27年度の使用予定額との差が発生した最大の費目は物品費であり、当初予定では1460千円の決定額に対して747千円の実績となったものである。その内訳として予定していた物品のうちシミュレーション用コンピュータについては予定通り購入を行ったが、3次元流速計については未購入とした。その理由は27年度にはボルテックス水車の渦水流の流速測定が中心となり、実験協力者が既有のプロペラ流速計で測定可能と判明したためこれを延期したことによる。現時点の研究段階ではシミュレーションによる渦水流の再現が最大の課題であり流速測定については研究協力者立ち合いの元で測定器を借用することで研究の遂行になんら問題はない。しかし、28年度の研究内容においては流速計が複数台必要になる可能性があるため今後流速計の購入を行って研究を進行する計画である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
27年度に執行しなかった流速計の購入は28年度に実施して研究を続行する計画である。これによって物品費の内訳は概算で次のようになる計画である。
当初計画：計算機購入：800千円、流速計：250千円、消耗品40千円、水車改造：370千円 （合計1460千円）
変更後 ：計算機購入：747千円（実績）、流速計：250千円、消耗品90千円、水車改造：370千円（合計1457千円）
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Research Products
(1 results)
