2013 Fiscal Year Annual Research Report
風レンズ風車の革新的三次元空力設計法の創出とそのベッツ限界への挑戦
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24360072
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
古川 雅人 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30181449)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森 英男 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70362275)
山田 和豊 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00344622)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 再生可能エネルギー / 風力 / 流体工学 / 風レンズ風車 |
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| Research Abstract |
我が国の風況に適した風レンズ風車では，ディフューザとつばを組み合わせた風レンズ（集風体）を装着することにより高い集風効果が得られるが，風車周りの流れ場が複雑となる結果，従来の風車設計法の適用が問題となることから，本研究では，風レンズ風車に適用可能な革新的三次元空力設計法を創出することにより，ベッツ限界（風車の理論効率の限界）を超越した高性能風車の実現を探求することを目的とする．
まず，前年度までに構築した「風レンズ風車用翼車の三次元空力設計法」，すなわち子午面粘性流れ解析と翼の逆問題設計とを組み合わせて，与えられた風レンズの形状に適した翼車を設計するため三次元空力設計法と遺伝的アルゴリズム(GA)による多目的最適化手法とを組み合わせることにより，風レンズと翼車の両者を同時に最適設計可能な「風レンズ・翼車の多目的最適空力設計法」を構築した．具体的には，翼の空力負荷のスパン方向分布および風レンズ形状を設計変数とし，翼車の出力係数および風レンズの集風効果係数を評価関数として，GAにより最適化した．スパン方向翼負荷分布についてはスパン位置6点での値を，風レンズ形状についてはベルマウス高さ，ディフューザ高さ，軸方向長さ，スロート位置およびつば高さの5つを設計変数とした．GAにおいては，世代交代モデルにNSGA-2を，交叉モデルに多親交叉モデルREXを用いた．本最適空力設計によって得られたパレート解の代表ケースについて三次元定常RANS解析を行い，最も全体性能が優れていた風レンズ風車を試作して，本学応用力学研究所の大型風洞により性能試験を実施した．その結果，風レンズと翼車の両者を連成して最適設計された風レンズ風車はベッツ限界を超越する性能を発揮できることが明らかになり，本空力設計法の妥当性が検証できた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
前年度までに構築した「風レンズ風車用翼車の三次元空力設計法」と遺伝的アルゴリズム(GA)による多目的最適化手法とを組み合わせた「風レンズ・翼車の多目的最適空力設計法」の構築が完了するとともに，その設計法を適用した風レンズ風車がベッツ限界を超える性能を有していることを風洞実験により示した．本研究の２年度目において，風レンズと翼車の両者を連成して最適化を実施できる本空力設計法の適用によりベッツ限界の超越が可能であることを既に示した点は，当初の計画以上に進展している点である．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に実施した，本空力設計法の適用結果および試作機の風洞実験結果を精査した上で，最適設計における設計変数の妥当性を検討することによって，ベッツ限界をさらに大きく超越した風レンズ風車の実現を目指す予定である．また，風レンズ風車に対する理論効率の限界について，流体工学的な考察も行う予定である．
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