2020 Fiscal Year Annual Research Report
Computational fluid dynamics analysis and wind tunnel experiments on a wind farm consisting of closely spaced small vertical-axis wind turbines
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18K05013
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
原 豊 鳥取大学, 工学部, 教授 (60242822)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上代 良文 香川高等専門学校, 機械工学科, 教授 (10321499)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 小形垂直軸風車 / 密集配置 / 風力発電 / 再生可能エネルギー / 数値流体力学 / 風洞実験 / 剛体運動予測モデル / 動的相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、小形垂直軸風車の最適な密集配置に関する知見を得るため、3Dプリンターで製作したミニチュア風車（直径50 mm、高さ43.4 mm、翼数3枚のバタフライ型風車）を用いた風洞実験と、剛体運動予測モデル(Dynamic Fluid/Body Interaction：DFBIモデル)を使用した２次元の数値流体力学解析(CFD解析)を実施した。最終年度の2020年度は、ペア風車に対する風向を16方位とした風洞実験およびCFDを行い、両者の回転数挙動および後流状態の比較をした。その結果、ペア風車の回転状態の風向変化に対する定性的一致の確認ができ、一方で、２次元CFDに対して3次元の風洞実験では、風車の後流がより大きく偏向する傾向があることが明らかとなった。さらに、風車を１つ増やした正三角形状に配置した３風車の場合についても、風洞実験とCFDを実施した。DFBIモデルを用いたCFDは長い計算時間を要するため、主流に対して縦列配置（タンデム配置）を含まない３風車配置の8ケースのみの計算が実行されたが、実験とCFDの間で、３風車の回転数平均が最大となる配置は同じであった。しかし、前述の後流偏向の大きさの相違から、風洞実験結果とCFDの結果は異なる部分も多いことが判明した。互いに逆転するペア風車の実験とCFDにおいて、風車間距離が短い場合に位相的同期現象が起こることを見出し、学会発表を契機として興味をもった鳥取大学の古川勝教授の協力により、位相同期現象の数理的モデルが構築され、CFDによる位相同期再現の結果と一致する理論予測が示された。本研究の目標の１つである、最適配置の探索のため、簡易モデルの構築を行い、CFDの結果と一致する流れ場を再現するための新しい速度分布のモデルを提案した。しかし、多数の風車に適用するまでには至っておらず、今後さらに研究を継続していく必要がある。
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