2022 Fiscal Year Research-status Report
風力エネルギーを省エネに活用することで超高効率利用する煙突型排気システムの開発
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21K04967
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
渡邉 康一 九州大学, 応用力学研究所, 学術研究員 (30811799)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 風力 / 省エネ / 煙突排気 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最終目標は、工場の煙突や地下道路の換気塔などの排気用タワーに用いられる強制排気用のファンの消費電力を大幅に省エネするために、「小さくて高効率」，かつ「風向に影響を受けない」創風構造体の形状を「発見」し「実証」することである．2022年度は，風洞実験と数値シミュレーション，及び性能予測理論の構築を実施した．
風洞実験では，タワー内部にファンと流速計を設置し，上空風がタワー内部流速，及びファン消費電力に与える影響を，複数の形状のタワーモデルを用いて検証した．その結果，上空風が強くなるにつれ，タワーの創風性能に応じてまずファンに省電力効果があらわれ，さらに，消費電力が0以下になった場合，排気風の加速につながることを明らかにした．
数値シミュレーションでは，タワー内部，周囲，及びファンブレード周辺の流れを詳細に3次元解析するために，保存性と互換性に優れる対流型補間法をベースとした，非構造格子を用いた計算スキームを構築し，ベンチマーク計算の速度場，圧力場において良好な結果を得た．
理論性能予測においては，翼素運動量理論を用いた定式化を行い，排気ファン消費電力の削減量を，上空風の風エネルギーで無次元化したパワー係数を定義することで，風力エネルギーの利用率を予測・評価した．その結果，ディフューザは排気性能にほとんど影響しないのに対し，タワー出口圧力の低下は排気性能に大きく貢献することが予測された．また，出口圧力を低下させることで，利用する上空風の風エネルギー以上の省エネルギーを達成できるという，大変有望な結果を導くことができた．
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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
2021年度～2022年度の研究計画は，高効率にタワー内に風を創り出し，かつなるべく小さな付加構造体形状を見つけるため，風洞実験と数値シミュレーションによるパラメトリックスタディと流れ場の解析を実施すること，かつ実験でファンを実際に設置し，消費電力が省エネできることを実証すること，また集風構造体を既存のタワーに設置した場合の省電力予測法を，タワー内流れの理論的な定式化に基づいて確立することであった．
2022年度は風洞実験と，数値シミュレーションを2021年度からさらに進め，必要な知見を得ることができた．また，理論性能予測法を構築し，風力を本方式にて省エネに活用することが非常に効果的であることを示唆する結果を得ることができた．計画通り研究は進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度の研究計画は以下の通りである．
＜野外実験による実証＞
風洞実験と数値シミュレーションによって発見した基本形状の創風性能を，野外の風速と風向がともに変動する風況下で実証試験する．また，風洞実験と比べてタワーが大きくなるため，流体の粘性の影響が変化すると考えられる．このスケール効果についても実証する．
＜理論づけによる、省電力量予測法の確立＞
風洞実験と数値シミュレーション，および野外実験の結果と，構築した理論式による省電力予測結果を比較検討し，性能予測理論を確立する．これにより，実際のサイトに設置した場合の効果を算出できるようにする．
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