シンポジウム「HPCとIoT -観測・計測系IoTとHPCを繋ぐ-」■日時: 2017年8月25日(金) 13時30分 ～ 17時00分■場所: 九州大学 情報基盤研究開発センター(伊都キャンパス) 2階 多目的教室
14:05-14:35

九州大学伊都キャンパスの数値風況診断-椎木講堂から大型レンズ風車まで-

九州大学・応用力学研究所・風工学分野
内田 孝紀
takanori@riam.kyushutakanori@riam.kyushu-u.ac.jp
092092-583583-7776

Part ①
数値風況診断RIAM-COMPACTの紹介
リアムコンパクト

非定常・非線形数値風況シミュレータ
RIAMRIAM-COMPACT®（リアムコンパクト）
九州大学応用力学研究所発の流体工学
CFDモデルモデル(LES乱流モデルを採用(LES乱流モデルを採用))
九州大学応用力学研究所発の流体工学CFD
Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University,
COMputational
COMputational Prediction of Airflow over Complex Terrain◆乱流モデル：次世代乱流モデルとして期待されているLES(Large-乱流モデル：次世代乱流モデルとして期待されているLES(LargeEddy Simulation)の採用！
Simulation)の採用！
◆対象スケール：数
対象スケール：数(十)km以下の局所域スケールに的を絞る！
)km以下の局所域スケールに的を絞る！
◆特長①：風に対する地形・建物の効果を高精度に予測！
特長①：風に対する地形・建物の効果を高精度に予測！
◆特長②：安定成層，不安定成層など種々の大気安定度を考慮！
特長②：安定成層，不安定成層など種々の大気安定度を考慮！
流れの局所的な増速
Flow

逆流域の形成(逆流域の形成(渦放出)渦放出)

流れの衝突
流れの剥離

流れの再付着【風に対する地形効果】
風に対する地形効果】

RIAM-COMPACT®(リアムコンパクト)の着眼点
流体(流体(風況)風況)のコンピュータシミュレーションにおける空間スケールによる分類＜＜
地上10mにおける水平風速
地上10mにおける水平風速と風速ベクトル，0418
台風と風速ベクトル，0418台風(a)工学分野では(a)工学分野では数m以内の物体スケール(b)数の局所域ｽｹｰﾙ(b)数m～数十km～数十kmの局所域ｽｹｰﾙ
数時間程度の時間ｽｹｰﾙ(c)気象分野では数十km(c)気象分野では数十km以上の広域空間スケール

工学分野では数m以内の物体スケール、気象分野では数十km以上の広域空間スケールが主な研究対象であった。
一方、その中間の数m～数十kmは私達の実生活に関連したごく身近な風環境にも関わらず、地物・地形による影響と時間変化の両者を忠実に再現可能な風況予測モデルの重要性は、未だ十分に認識されてなかった。
我々は、このスケールギャップに着目し、世界最先端の流体計算技術に基づいた斬新で汎用的な風況予測システム(RIAM-COMPACT®：リアムコンパクト)の開発に成功し、この分野の新たな道を拓いた。

RIAM-COMPACT®の応用分野【風工学分野】
風工学分野】

・山岳地形・市街地における自然エネルギーの有効利用(・山岳地形・市街地における自然エネルギーの有効利用(風力発電)
風力発電)
・巨大都市域(・巨大都市域(市街地)市街地)の大気環境予測と改善
・山間部の地形性局地強風の発生メカニズム解明
・山間部の送電鉄塔周辺の風害対策
・台風に伴う歴史的建造物の風害対策
・竜巻に伴う風害対策

特に重点を置いているテーマ【鉄道分野】
鉄道分野】
・突風・強風時における鉄道の安全運行支援システム構築
・線路周辺の風害対策，風況マップ作成【航空・船舶分野】
航空・船舶分野】

竜巻シミュレータの開発

・離島空港建設のための風況アセスメント
・大型タンカー接岸ルート支援システムのための風況予測【森林分野】森林分野】

・台風に伴う風害対策のためのハザードマップ作成(・台風に伴う風害対策のためのハザードマップ作成(強風域特定)
強風域特定)
・山火事の延焼域の予測
・山火事の煙，火山ガス，大気汚染物質，花粉などの移流・拡散予測【レジャー分野】
レジャー分野】

風向変動を考慮したガス拡散予測

・ヨットレース，フィッシング，ゴルフ，バルーンなどを対象にした風情報配信サービス

最近の受賞

2015年
20周年記念
周年記念
2015年 ISIT創立
ISIT創立20九州先端科学技術研究開発表彰

内田その他の受賞歴◆ NEDOの産業技術研究助成事業に採択．風車に対する地形効果に起因する風の乱れ
NEDOの産業技術研究助成事業に採択．風車に対する地形効果に起因する風の乱れの影響を解明．この成果に対し，2010年
2010年 科学技術分野の「文部科学大臣表彰･若手科学者賞」を受賞◆ 2013年回産学官連携功労者表彰・環境大臣賞」を受賞
2013年 内閣府主催の「第11内閣府主催の「第11回産学官連携功労者表彰・環境大臣賞」を受賞

本研究における計算機リソース～2015年
2015年1月

スーパーコンピュータNEC
スーパーコンピュータNEC 「SXSX-ACE」
ACE」 16ノード
16ノード（最大理論性能4.1TFLOPS）（最大理論性能4.1TFLOPS）
2015年
2015年3月より稼働開始

Theodore von Kármán
(May 11, 1881 – May 7, 1963 : Aged 81 )He contributed to the advancement of AERODYNAMICS !
He discovered the Kármá
rmán vortex street at 30 years old in 1911 !

u i0x i

Continuity equation

u iup1 2ui
 uj i  tx j
x i Re x jx j
Temporal Convective Pressure
Gradient
term
term
term

Re(=UD/ν)=100UD

Viscousterm

NavierNavier-Stokes equation
Re : Reynolds number

Scale : Very Small Order : cmポルトガルの自治州となっており、マデイラ・ワインを産することでも知られる。クリスティアーノ・ロナウドはマデイラ島
フンシャル(首都)出身。マデイラ島は同諸島最大の島で741km²（日本の奄美大島とほぼ同じ大きさ）、東西に長い形をしている。最高峰はルイボ山（1,862m）である。島はその名前の由来となった木々（マデイラはポルトガル語で「木」の意味）に覆われ、ラウリシルヴァに代表される豊かな自然が残されている。

マデイラ諸島（4つの島々）◆Portugal’Portugal’s Autonomous Region◆Cristiano Ronaldo is born in Madeira Island.

カナリア諸島（7つの島々）

カーボベルデ共和国

Here!!

カーボベルデ共和国、通称カーボベルデは、大西洋の中央、北アフリカの西沖合いのマカロネシアに位置するバルラヴェント諸島とソタヴェント諸島からなる共和制の国家である。首都はプライア。

w
Flo

Here!!
Order : km
Scale : Very Large
Credit Jeff Schmaltz
Low-level winds rushing over the Cape Verde Islands off the coast of northwestern Africa created cloud vortex
streets, as seen in this true-color Terra MODIS image from January 5, 2005. The vortex streets tend to create
patterns of swirls and curves in a roughly symmetrical pattern, though as can be seen here, the lower vortex
street is much more disorganized - to the point that the typical features are almost unrecognizable.
Cloud vortices are also known as von Karman vortices

Atmospheric Kármán Vortex
Shedding from Cape VerdeIslands
強安定成層流(Fr=0.1)

福岡市の大規模風環境予測：福岡市からの委託PJ
福岡市役所 「都市計画基礎調査」のGISデータを利用

北北西の風

330m

4,000m

3,800m◆計算領域：4,000m×3,800m×◆計算領域：4,000m×3,800m×330m◆格子数：1,001×951×◆格子数：1,001×951×81点
81点(約7,700万点7,700万点))◆格子解像度：
水平方向 4m，鉛直方向4m，鉛直方向 0.5m
＊上空ほど間隔を広げる◆代表長さ：50m◆代表長さ：50m

地上2mにおける主流方向速度成分の分布＋速度ベクトルの分布
地上2mにおける主流方向速度成分の分布＋速度ベクトルの分布

北北西の風
天神地区
を拡大
を拡大

アクロス福岡Part ②
椎木講堂を対象とした数値風況診断計算領域の設定①■地形凹凸の再現精度
Δx=Δy=1m

北西

700m(701点(701点)■計算領域の空間解像度
Δx=Δy=1m■格子点数
701*701*151（（7,400万点）
701*701*151
7,400万点）■代表長さスケール：40m■代表長さスケール：40m

この建物は考慮せず
700m(701点(701点)

計算領域の設定②
北西

講堂の屋根を外した様子．

700m(701点(701点)

190m(151点(151点)

高標高
低700m
(701点(701点)

計算領域の設定③

北西

高
標高

講堂近傍の様子

計算風向の選定
北東あるいは北北東
北西

北東および北北東の場合には，講堂が地形に隠れるため，強風は発生しないと判断し，冬場の季節風が卓越する北西のみを計算対象とした．

低計算結果①
便宜上，講堂の屋根を外して内部の様子を観察．
北西

講堂内への風の吹き込みを確認．
但し，それほど大きな風速ではない様子．

瞬間場の速度ベクトル図と風速分布図(と風速分布図(地上1.5m)
地上1.5m)

計算結果②
便宜上，講堂の屋根を外して内部の様子を観察．
北西

講堂内への風の吹き込みを確認．
但し，それほど大きな風速ではない様子．

時間平均場の速度ベクトル図と風速分布図(と風速分布図(地上1.5m)
地上1.5m)計算結果③
講堂内への風の吹き込みを確認．
但し，それほど大きな風速ではない様子．
北西

便宜上，講堂の屋根を外して内部の様子を観察．

瞬間場の速度ベクトル図と風速分布図(と風速分布図(地上1.5m)
地上1.5m)

計算結果④
北西

便宜上，講堂の屋根を外して内部の様子を観察．

講堂内への風の吹き込みを確認．
但し，それほど大きな風速ではない様子．

時間平均場の速度ベクトル図と風速分布図(
時間平均場の速度ベクトル図と風速分布図(地上1.5m)
地上1.5m)計算結果⑤
評価位置

約1.3(m/s) @ 1.5(m)基準値
5(m/s) @ 40(m)約2.2(m/s) @ 1.5(m)

全体図

拡大図

講堂中心におけるスカラー平均風速の鉛直分布

今後の展開①
伊都キャンパスの真の風環境の把握に向けて

12km(301点(301点)

国土地理院の10m標高データを利用
10m標高データを利用(Δx=Δy=40m)

12km(301点(301点)

今後の展開②
伊都キャンパスの真の風環境の把握に向けて

風速分布図(地上50m)
地上50m)Part ③
レンズ風車を対象とした数値風況診断70kW レンズ風車
12.8m

15.44m
25.0m

No.1
No.2

風車周辺の詳細な気流場
解析

Bare turbine

Lens turbine

計算対象エリアの風況特性(2014.4-2015.3)

①②5km

③5km

④

1年間
MSMMSM-S利用

計算対象エリアの風況特性(2015.10-12)

①②5km

③5km

④

MSMMSM-S利用

樹木高さ解析結果

レンズ風車
平均10.8m

樹木高さ(m)=数値表層モデル（DSM;
DSM; Digital Surface Model）
樹木高さ(m)=数値表層モデル（Model）－数値標高モデル（DEM;－数値標高モデル（DEM; Digital Elevation Model)

計算領域など10mの樹木高さとして再現

レンズ風車
風向WNW
風向WNW
(292.5度(292.5度)

No.2
No.1

400m

100m

計算結果①

鉛直断面内の速度ベクトル図

地表面粗度
無し

Flow

地表面粗度有り

計算結果②

地表面粗度無し

Flow

地表面粗度有り

鉛直断面内の速度ベクトル図と風速分布図（時間平均場）

計算結果③

計算結果④：
時間平均場鉛直断面内の風速分布図

現況地形＋地表面粗度有

Flow

地形造成
（風車立地標高110m（風車立地標高110m以上は削除）＋
地表面粗度無大幅な改善！

Part ④

文部科学省ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーション開発・研究開発に採択
重点課題⑥ 革新的クリーンエネルギシステムの実用化」
サブ課題：「高効率風力発電システム構築のための大規模数値解析」◆研究開発期間5年－2015
2015年
年/本格実施期間：2016年－20192019年）年）◆研究開発期間5年（準備期間：2014年（準備期間：2014年－
本格実施期間：2016年－◆実施メンバー：東大，九大応力研，JAXA，豊橋技科大，風力エネルギー研究所◆実施メンバー：東大，九大応力研，JAXA，豊橋技科大，風力エネルギー研究所◆九大応力研(◆九大応力研(開発責任者：内田孝紀 准教授)准教授)

RIAM「洋上・陸上ウインドファームを対象にした大RIAM-COMPACT CFDモデルをベースにし，CFDモデルをベースにし，「洋上・陸上ウインドファームを対象にした大型風車の最適配置設計ツール(型風車の最適配置設計ツール(高精度・数値風況予測モデル)高精度・数値風況予測モデル)」を開発する．特に，風車を開発する．
間の相互作用（ウエイク干渉）や大気境界層・温度成層の影響を考慮可能にすることを目指す.

風車ウエイク①

Wake Structure
http://windworkshops.sandia.gov/past-workshops/2014-presentations/風車ウエイク②Wind Farm Wake:
The Horns Rev Photo Case

風車ウエイク③UpperLower

平坦地形：風車2基の場合Side View

Top View

主流方向速度成分＋速度ベクトル

主流方向速度成分

721×
721×151×
151×161メッシュ
161メッシュ((約1,800万メッシュ1,800万メッシュ))，アクチュエータラインモデル
ロータ直径に基づいたレイノルズ数

Re(=URe(=UrefD/νD/ν)=2×)=2×104

境界層流(1/4べき乗則(1/4べき乗則))

5D5DD

圧力のラプラシアン

複雑地形の場合①k=110番目
k=110番目
k=135番目
k=135番目
k=160番目
k=160番目
k=185番目
k=185番目

ロータ直径
D=50mの風車を想定．

ロータ直径に基づいたレイノルズ数

Re(=URe(=UrefD/νD/ν)=2×)=2×104

風車ハブ高さの水平断面

基準風速

D=50m

風車設置点の標高境界層流(1/7べき乗則(1/7べき乗則))

風車中心の鉛直断面

2.3u/Uref-0.8
主流方向速度成分＋圧力のラプラシアン

複雑地形の場合②2.3u/Uref-0.8
圧力のラプラシアン
風車中心の鉛直断面境界層流(1/7べき乗則(1/7べき乗則))

ロータ直径に基づいたレイノルズ数

Re(=URe(=UrefD/νD/ν)=2×)=2×104

主流方向速度成分

ケーススタディ北九州市 響灘地区

ま と め◆数値シミュレーション，室内風洞実験，野外計測の総合的な研究活動の推進◆文部科学省，NEDO等の大型プロジェクト（科学研究補助費を含む）への提案および採択率の向上◆民間企業との共同研究等のさらなる強化（「産学連携」は重要なキーワード）