（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 23 年度 産業利用 成果報告書

利用課題名 オープンソースコードによる風速の地形影響評価に関する LES
英文：LES for effect of topography on wind velocity by open source code
利用課題責任者 中村修
Osamu Nakamura
所属：風工学研究所
Affiliation：Wind Engineering Institute
URL：http://www.wei.co.jp/

近年，計算機資源が充実したことや数値流体解析技術が進歩したことにより，数値流体解析による風速の地形影響評価が実施されるようになってきたが，計算結果の妥当性の評価基準は明確に示されていない。本プロジェクトではオープンソースコードである OpenFOAM により，変動成分まで予測可能な LES で地形の影響を受けた風速の予測を実施する。異なる起伏形態の 4 種類の地形を検討対象として風速の予測を行い，既往の風洞実験結果および観測結果との比較により予測精度の検討を行った。各ケースともに風洞実験結果および観測結果と良い対応となり，本検討で設定した計算モデルや計算条件の妥当性を示した。
In order to evaluate the effect of topography on wind speed, this project performs the prediction of the windspeed by open source code (Open FOAM). We try to predict the wind speed on four different topographies. In
comparison with experimental and observational data, predictive value show reasonably good agreement.
Keywords: LES，OpenFOAM，風速予測，地形影響評価
背景と目的形上における風速の予測を行った。風洞実験結果

建築物の耐風設計を行う際に，地形の影響によや観測結果等との比較により風速予測結果の計

り設計風速が増速される恐れがある場合には，平算精度を検討し，適切に解析を行うための計算モ

成 12 年度建設省告示第 1454 号第 1 第 2 項ただしデルや計算条件を提示した。

書きに基づき，風速の割り増しを評価する必要がある。しかしながら，割り増しをどのような数値概要で見積もるかの具体的な方法は現状では示され地形の影響のある場所に建築物を建てる場合ていない。最近では，風力発電用風車の支持構造には，建築基準法に基づき地形の影響による風速物における耐風設計の実施例において，数値流体の割り増しを評価する必要がある。近年，計算機計算によって増速の影響を評価する場合が増え資源が充実したことや数値流体計算技術が進歩てきているが，計算の妥当性の評価基準についてしたことにより，数値流体解析による風速の地形明確な情報が示されていないため，今後の数値流による影響評価が実施されるようになってきて体計算技術の使用頻度が高まる傾向を踏まえる

おり，その実用化への期待が高まっている。本研と，技術的な評価基準の明確化，さらには適切な究では，フリーソフトである OpenFOAM を用い計算法・計算モデルの具体的な提案が望まれていて変動成分まで予測可能な LES により，図-a およる。

び図-b に示すように単純化した地形および複雑

本プロジェクトでは，近年様々な分野で広く使な起伏を有する実在地形を対象として変動成分われるようになってきたオープンソースコードまで含めた風速の予測を行う。LES は一般的に計である OpenFOAM を用いて，変動成分まで予測算負荷がかなり高くなるが，TSUBAME2 の計算可能な LES により単純化した地形および複雑な資源を利用することで大規模な並列化が可能と起伏を有する実在地形など様々な形状を持つ地なり，高解像度の解析格子を用いた解析を高速に（様式 20）成果報告書実行することができる。図-c に示すように，得ら

動風の鉛直分布と，比較対象とした風洞実験結果れた解析結果を風洞実験結果および観測結果等を示す。図-5 に山の中心断面における主流方向成と比較して予測精度を確認し，適切に風速を予測分平均風速(U/Uh)および主流方向成分乱れ強さするための計算モデルの作成や計算条件を示し(σu/Uh)の鉛直分布を示す。両分布ともに風洞実た。

験結果と良く対応しており，本検討で設定した計算モデルおよび計算条件で単純化した地形が適切に予測できることがわかる。
表-1 解析ケースの概要
最小解像度
ReH
地表境界条件(=UHH/ν)鉛直 水平
30H×30H
z0 型対数則 UHH/ν≒
約 650 万 0.05H 0.05H×15H(H/ z0=133)
9000
解析領域

図-a 単純化した地形

図-b 複雑地形表-2 OpenFOAM による予測の解析条件の概要

2525

要素数

LES
(標準型スマゴリンスキーモデル）
離散化手法
有限体積法
流入境界条件
準周期境界条件を用いた LES により別途作成
上面および側面境界 Slip 条件
流出境界条件
ノイマン型
地表面境界条件
z0 型対数則(滑面：H/ z0=4000，粗面：H/ z0=133）
移流項のスキーム
2 次精度中心差分
乱流モデル

20201515OpenFOAM
観測結果

OpenFOAM

10観測結果10550000.511.5

200.10.20.30.40.5

平均風速の比較
乱れ強さの比較図-c 予測結果と観測結果の比較
結果および考察
1. 単純化した地形

単純化した地形として図-1 に示す 2 次元丘陵地を解析の対象とした。表-1 に解析ケースの概要を
図-1 計算モデル示す。解析領域の大きさは主流方向×スパン方向

図-2 表面メッシュ

×高さ=30H×30H×15H(H:丘陵地高さ)とした。図-2 に解析格子の表面メッシュ，図-3 に鉛直断面を示す。解析格子は非構造格子により作成しており，
図-2 に示す表面メッシュは三角形で構成されている。また，図-3 に示すように，地表近傍には三角柱（プリズム）形状の境界層要素を 3 層配置し，図-3 解析格子の鉛直断面

その上空は三角すい（テトラ）形状の格子で構成
54.54.54.544443.5

3.53.53.5332.52.54.532.52.5より解析を行っている。流入境界条件には別途作

2222

1.5

1.5

1.5

1.51111

成した時々刻々変動する流入変動風を設定して0.50.50.50.5いる。図-4 に流入境界条件として設定した流入変0000.5
1U/UH

1.50000.1
0.2
σu/UH

0.3

LES流入変動風
風洞実験

53z/Hz/H

解析条件を示す。変動成分まで予測可能な LES にLES流入変動風
風洞実験

5z/H(Ver1.7.1)を使用した。表-2 に OpenFOAM による

LES流入変動風
風洞実験

LES流入変動風
風洞実験

5z/H

されている。解析のソルバーには OpenFOAM

00.10.2
σv/UH0.3

図-4 流入変動風の鉛直分布00.10.2
σw/UH0.3（様式 20）成果報告書

Wind-2.5HLESz/h

3-1.25H X=0LES

風洞実験

z/h

3LES

風洞実験

z/h

31.25H
LES

風洞実験

z/h

LES

風洞実験

32.5H 3.75Hz/h

3

風洞実験

5.0H

LESz/h

LES

風洞実験

3z/h

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2

2

2

2

2

2

2

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

11

1

1

1

1

1

0.5

0.5

0.5

風洞実験

32.5

図-7 Bolund の解析格子

0.5

0.5

0.5

0.5

00000-0.5 0 0.5 1 1.5-0.5 0 0.5 1 1.5-0.5 0 0.5 1 1.5-0.5 0 0.5 1 1.5-0.5 0 0.5 1 1.5-0.5 0 0.5 1 1.5-0.5 0 0.5 1 1.5

U/Uh

U/Uh

U/Uh

U/Uh

U/Uh

U/Uh

U/Uh

00

主流方向成分平均風速(U/Uh)
LESz/h

LES

風洞実験

32.5z/h

LES

LES

風洞実験

3z/h

風洞実験

32.5

2.5z/h

LES

風洞実験

32.5z/h

LES

風洞実験

32.5z/h

LES

風洞実験

32.5z/h

2.52222222

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

11111110.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.50.50000.4σu/Uh

000.4σu/Uh

000.4

σu/Uh

000.4

σu/Uh

000.4

風洞実験

3

図-8 平均風速の水平分布の比較（高さ 2m）

00σu/Uh0.40σu/Uh0.4σu/Uh

主流方向成分乱れ強さ(σu/Uh)
図-5 山の中心断面における鉛直分布の比較

次に，複雑な起伏を有する実在地形の例として，
図-9 の竜飛崎の例を示す。本サイトでは海岸線より急激に立ち上がった半島上にウインドファー

2. 実在地形ムがある。地形の起伏の再現には国土地理院の数

実在地形の解析例として図-6 に示す Bolund を値標高モデル（10m メッシュ）を用いている。図

解析の対象とした。このサイトは海上にある規模-10 に解析格子を示す。
要素数は約 1040 万であり，の小さな島であり，島の西側には急峻な崖がある。

地表近傍には 5 層の境界層要素を挿入している。

島の大きさは東西方向約 250m, 南北方向約 150m

図-11 にウインドファーム周辺の瞬間風速分布をであり，海面からの最高高さは約 11m である。図示す。海上からの流れがウインドファームのある-7 に解析格子を示す。非構造格子で構成しており，半島に直接的に流入している様子が見られる。半要素数は約 940 万である。地表近傍には 5 層の境

島の尾根では風速が増速しており，後流側では風界層要素を挿入しており，急峻な崖の部分におい速が減速している様子がわかる。図-12 に予測結ても境界層要素が配置されていることがわかる。

果と観測結果との比較を示す。水平方向成分風速

図-8 は高さ 2m における平均風速の解析結果と観U はおおよそ観測結果と対応している。海岸線か測結果の比較である。OpenFOAM による解析結果

ら急峻に立ち上がった地形を対象とした場合もは崖の頂上の剥離領域や後流の減速領域などの精度良く予測できることがわかる。

特徴を捉えられており，観測結果と良く対応していることがわかる。

図-6 実在地形（Bolund）の概要

図-9 竜飛崎の概要

（様式 20）成果報告書
で，複雑な地形が連なった実在地形においても，平均風速，乱れ強さともにおおよそ観測結果と良く対応していることがわかる。

図-10 竜飛崎の解析格子

8km

25km

8km

図-13 白滝山の解析領域

図-11 ウインドパーク周辺の瞬間風速分布
100

100100ＬＥＳ

観測

6040

2080

地上高さ(m)80

地上高さ(m)80

604060

図-14 解析格子
4020020000.5
1
基準化風速(U/U40)

1.5

00.05

0.10.15
乱流強度

0.2

-0.5

000.5
基準化風速(W/U40)

1

図-12 予測結果と観測結果との比較
最後に，図-13 に白滝山にあるウインドファー
ムの例を示す。このサイトの予測対象地点は，海図-15 瞬間風速コンター図(水平断面，高さ 600m)

岸線より 10km 程度内陸の複雑な起伏の地形が連山間部に位置する尾根上に 20 基の風車が配置されている。図-14 に解析格子を示す。地表面には

LES，z0型対数則
観測_16-18時

1.5
wind speed (-)

なる場所に位置している。標高約 400m～600m の(delta=600m, z0)

2

10.5

境界層セルを 3 層挿入しており，要素数は約 10000万セルとなっている。図-15 に水平断面におけるNo2No4No6No8 No10 No12 No14 No16 No18 No20
風車番号

瞬間風速コンター図（高さ 600m）を示す。起伏平均風速の複雑な地形上を長い距離に亘り吹走して乱れ1た流れがウインドファーム近傍の尾根へと到達

0.8(delta=600m, z0, recal)
LES, z0型対数則している様子がわかる。また，尾根の後流域には風速の減速した領域があることがわかる。図 16に平均風速および乱れ強さの予測結果と観測結果の比較を示す。観測点 No11 は他の観測点と比較して平均風速は小さく，乱れ強さは大きい観測点であるが，そのような傾向も予測できていることがわかる。本検討の計算モデルおよび解析条件

intensity of turbelemce

地上高さ(m)LESＬＥＳ

観測

観測_16-18時

0.60.4
0.2
0No2No4No6

No8 No10 No12 No14 No16 No18 No20
風車番号

乱れ強さ
図-16 予測結果と観測結果の比較

（様式 20）成果報告書
まとめ、今後の課題

本検討ではオープンソースコードである
OpenFOAM を用いて，地形の起伏の影響を受けた風速の予測を変動成分まで予測可能な LES により実施した。地表面の起伏の形態の異なる 4 サイト(単純化した地形，Bolund，竜飛崎，白滝)を対象に解析した。解析結果をそれぞれ風洞実験結果および観測結果と比較して，おおよそ良い対応であることを示し，精度良く予測するための適切な計算モデル，計算条件を提示した。
しかし，本プロジェクトで設定した解析条件が必ずしもバランスの取れた条件となっているかは判定されてはおらず，計算条件と計算精度の関連性については，まだ検討の余地がある。今後は，格子解像度，乱流モデル，地表面境界条件などの計算条件を整理することで，精度確保のための必要最小限の計算条件について吟味する必要があると考えられる。
謝辞
本研究は国土交通省の実施する平成 23 年度建築基準整備促進事業の一環として実施している事業のうち「風圧力，耐風設計等に関する基準の合理化に資する検討委員会（地形影響評価 WG）」の成果の一部である。また，本検討を実施するにあたり観測データのご提供をいただいた株式会社きんでん様に謝意を表します。