2012 Fiscal Year Research-status Report
越波型波力発電開発に向けた越波量の定式化とそのシミュレーション技術の開発
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24360360
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
田中 博通 東海大学, 海洋学部, 教授 (90134014)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
南 将人 八戸工業高等専門学校, 建設環境工学科, 教授 (60280319)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 波力発電 / 越波式波力発電 / 越波量 / 流体数値解析 / 数値シミュレーション / VOF法 |
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| Research Abstract |
平成24年度は研究計画に基づき下記の3項目について研究を行った。
(1)わが国沿岸の波浪特性NOWPHASの波浪観測データを基に61地点の年間波エネルギー量を算定した結果、東北地方の年間波エネルギーが30,000kW/mを超え、特に日本海側では40,000kW/mを超える観測所がある。また、波高分布は標準偏差を考慮したRayleigh分布、周期分布はWeibull分布の4次が観測値と一致することが分かった。
(2)越波量の特性実験Bretschneider-光易スペクトルで制御した不規則波が2サイクル以上計測できる条件を得るために貯水槽と貯水タンクを使用して厳密に越波量を計測した。波形勾配(H_<1/3>/L)と単位時間、単位幅当たりの越波量q(m^3/s/m)の関係から、越波揚程が大きくなると急激に越波量は減少し、どの越波揚程でも波形勾配が0.06を超えると越波量は大きく減少する。実海域の波高と周期の知見を得ていれば、ある程度の越波量の予測が立てられると言える。なお、今年度の越波量の実験は、多段水槽でなく、1つの水槽への越波量を評価したものである。
(3)越波量のシミュレーション開発有限体積法を用いて質量、運動量、エネルギー等の保存式を、定常または非定常で3次元空間に適応し、反復法を使用して解く汎用熱流体解析ソフト=を自由水面の形状変化を取り扱えるVOF法を適用して越波する波を数値解析した。今回は全16の乱流モデルのシミュレートを行い、実験値との比較により最適な乱流モデルの選定を行った。その結果、最も実験の状態を再現できていたのはKLMODLという乱流モデルだった。この乱流モデルを用いた場合、流量は実験値の約80%、水面の水位はVOF値0.2を用いると波高、周期ともに実験値と同程度の精度が得られることが分かった。今年度は、様々な流体解析アルゴリズムを有する購入した流体解析ソフトをいかに実現象に適用すべきかについて研究を行った。
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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
平成24年度は、(1)わが国沿岸の波浪特性について、全国港湾波浪情報網(NOWPHAS)の年間データを基に年間波エネルギー賦存量を把握するとともに、2005年～2010年の20分ごとのNOWPHASデータの平均波高(H)と平均周期(T)の頻度分布を12観測所について作成し、分布関数について考察した。(2)不規則波の理論的展開は、おもにNOWPHAS観測データを基に波高と周期に関する頻度分布について考察し、それぞれの分布関数を求めた。(3)越波量の実験と統計解析は、Bretschneider-光易スペクトルで制御した不規則波によって貯水槽と貯水タンクを使用して厳密に越波量を計測した。(4)越波量のシミュレーション開発は、購入した汎用熱流体解析ソフトを使用して越波する波を数値解析した。今回は全16の乱流モデルのシミュレートを行い、実験値との比較により最適な乱流モデルの選定を行った。以上から、ほぼ計画通りに研究を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25年度の研究実施計画は下記の通りである。
(1)不規則波の理論的展開
初年度に継続して長年観測されているNOWPHASデータと実験結果を活用して理論展開を行う。
(2)越波量の実験および統計解析
初年度の実験結果を精査し、定式化に必要となる波高と周期の条件を選定して追実験を行う。また、「越波型波力発電装置」の多段水槽の模型を製作して、各貯水槽に流入する越波量を求める実験を行う。
(3)越波量の定式化不規則波の理論展開と実験結果を総合した、各種波条件に対して適応できる越波量の定式化を行う。この研究成果により、貯水槽のサイズと配水管の管径を決定することができ、実証試験に必要となる越波式波力発電装置躯体の設計条件を求めることができる。
(4)越波量のシミュレーション開発平成25年度は、研究代表者も汎用熱流体解析ソフトを購入して、研究分担者と共同で越波量のシミュレーションを開発する。平成25年度は、越波現象を再現できるように研究開発を行うとともに、実験結果を使用した計算を行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
平成25年度の研究費は、おもに研究代表者が使用する3次元汎用流体解析ソフトである。これによって、越波量の数値計算と数値シミュレーションが研究分担者と共同開発することができる。また、実用化を目的とした多段水槽の越波量実験を行う際の謝金と学会等への参加と研究打合せのための旅費として使用する計画である。
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