| 研究課題/領域番号 |
18K05013
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| 研究機関 | 鳥取大学 |
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研究代表者 |
原 豊 鳥取大学, 工学部, 教授 (60242822)
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| 研究分担者 |
上代 良文 香川高等専門学校, 機械工学科, 教授 (10321499)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 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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| 研究実績の概要 |
本研究では、小形垂直軸風車の密集配置の仕方による出力の違いと風車後流の挙動を調べ、最適な風車配置に関する知見を得ること、さらには小形風車の密集配置の有効性を明らかにすることを目的としている。
2019年度は、2018年度に準備をした、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）用の実験装置を使用した実験を行った。主流に対して並列配置と縦列配置（タンデム配置）の状態において、風車間距離を変えて各風車の回転数の計測および周囲の流れ場の可視化実験（スモークワイヤー法）を実施した。主な結果としては、並列配置で風車間距離が短くなると同期現象が観測されたこと、2つの回転円柱の場合と類似して、よどみ点に相当する流れの分岐の位置が、CU状態[風車が互いに逆方向回転かつ風車間流れが翼移動方向と逆向き]では、その他の状態（CD状態[逆回転かつ翼移動と同方向]、CO状態[同方向回転]）よりも風車ペアの中央側に移動することが明らかとなった。
数値解析は、2018年度に実施した、CO、CD、CUの各状態にあるペア風車の風車間距離を変えた場合の剛体運動予測モデルDFBI (Dynamic Fluid/Body Interaction)を使用したCFD解析（数値流体力学解析）を、計算時間を延長して行い、さらには、風車間距離を50mmに固定して、風向を16方位に変えた場合の解析を実施した。その結果として、16方位全ての出力平均では、逆方向回転状態よりも同方向回転状態が高い出力が得られることが示された。CFDの解析結果を参照して、ポテンシャル流に基づく、簡易モデルの構築を開始した。これが完成すれば、任意個数の任意の配置の風車についての風車運転状態の予測が短時間で実現することが期待できる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ミニチュア風車を使用した風洞実験は香川高専が担当しているが、2018年度において苦労しながらも実験精度の向上を図ってきたため、2019年度には概要に記載したようにいくつか成果が出始め、おおむね順調に研究は進んでいると言える。
鳥取大学が担当しているCFD解析においても、ペア風車を対象とした剛体運動予測モデルDFBIによる計算がほぼできており、風車の回転方向（配置状態）に依存した風車運転状況の特徴が把握できて来ている。当初の計画では、3次元風車についての解析を行う予定であったが、2次元計算においても予想以上に計算時間が長くかかるため計画を変更し、2次元のCFD解析に基づいて、それを再現できる簡易モデルの構築を2019年度から開始した。米国のダビリ教授の行ったポテンシャル流れに速度欠損（風車による後流速度の減少）を導入する手法を基礎にしているが、CFD解析結果をできるだけ忠実に再現できるようにいくつか独自のパラメータを設定し、1個の風車に関するモデル計算で得られる後流の速度分布をCFD解析で得られた後流速度の分布にフィッティングを行う方法を開発中であり、2019年度末までに、ある程度の見通しを得ている。
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| 今後の研究の推進方策 |
香川高専における風洞を用いた１ペアの風洞実験は、これまで基本的な３状態(CO, CD, CU)の実験のみであったが、2020年度には、16方位の風向に対する回転状態の計測および風車周囲の流れ場の可視化実験を行う計画とする。その際の２つの風車の間隔は、CFD解析の計算条件に合わせ、50mmを基本として実験を行う予定である。さらに、風車を増やして、3個の風車が正三角形の頂点に相当する位置にある配置についても、実験を行う予定とする。これらの実験結果は、CFD解析および簡易モデルによる解析結果と比較することになる。
上記の風洞実験と比較するため、CFD解析においても、3個の風車の場合の16方位風向に対する解析を行う。さらに、ペア風車の計算については、簡易モデルを構築する際の比較データを作成するために平均場の計算も実行する。得られた平均場を参考にして、簡易モデルの最適なパラメータを決定し、モデルを完成させる。加えて、これまでの16方位風向については風速がすべての方位において一定（均等分布）であると仮定してきたが、風速の風向分布を考慮した解析も行う予定である。最終的には、簡易モデルを使用して、複数の風車を配置する場合の最適条件を求めるところまで実施する予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2019年度(令和1年度)において134,023円の経費が残額として残ったが、これは研究代表者の原が発表を予定していた香港での国際会議(ICJWSF-2019, 2019年12月)が、民主化デモの影響で延期(最終的には新型コロナウイルスの影響で中止)となり、発表を取り下げたため、予定していた旅費が余ったものである。そのため次年度に繰越すことにした。
2020年度(令和２年度)においては、上記の繰越し分と研究代表者の研究費(570,000円)の合計額704,023円は、CFD解析を実行するためのソフトウェア（STAR-CCM+）のレンタル費および成果発表のための学会参加費や英文ジャーナルへの投稿費として使用する計画である。
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