先駆的科学計算に関するフォーラム2018
2018年5月11日（金曜日）10時20分～「流体工学LESモデルRIAM‐COMPACT(リアム・コンパクト)
による大規模な洋上風力発電設備を対象とした
数値風況シミュレーション」

内田 孝紀 (九州大学 応用力学研究所)
小野 謙二 (九州大学 情報基盤研究開発センター)↑実在スケール
RIAM-COMPACT(CFD)→「デンマークHorns Rev 1」を対象にした数値風況シミュレーション

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第1部
風工学分野および研究活動のコア技術の紹介

風工学分野がカバーする研究分野（1）物体周辺流と空力特性に関する研究（2）大気境界層の構造と乱流特性に関する研究（3）大気成層流と地形周辺流れに関する研究（4）風力エネルギーの有効利用に関する研究（5）風力・太陽光エネルギーハイブリッド利用に関する研究（6）風工学における数値流体シミュレーション法に関する研究

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1.物体周囲流と空力特性に関する研究
種々の形状を持つ非流線型物体（ブラフボディ）が，一様流，乱流，変動流，突風，境界層乱流などの様々な流れの中に置かれた場合，どのような周辺流れと空力特性を示すかについて系統的な水槽実験，風洞実験および数値シミュレーションを行い，ブラフボディ流れに関する統一的説明の構築を目指す．
Flow

風洞実験における流れの可視化(スモークワイヤー法)

数値流体シミュレーションにおける渦度の可視化(スパコンによる大規模計算)
3次元角柱を過ぎる流れ

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6.風工学における数値流体シミュレーション法に関する研究4

近年めざましく発展する流れの数値シミュレーション法（DNSやLES）を用い，物体および単純地形周辺流の解析，あるいは都市キャノピーや複雑地形上の流れの解析，また，気象GPV データや気象モデル，実測データを組み込んだ局所的，地域的な風況予測技術の確立を目指している．

本研究室における広範囲の研究活動の中で生まれ育った技術

九州大学応用力学研究所発の流体工学CFDモデル(LES乱流モデルを採用)
数値風況シミュレータRIAM-COMPACT（リアムコンパクト）
Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University,
COMputational Prediction of Airflow over Complex Terrain
流れの局所的な増速
Flow

逆流域の形成(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】※ CFD, Computational Fluid Dynamics※ LES, Large-Eddy Simulation

6.風工学における数値流体シミュレーション法に関する研究
事例紹介：（株）ユーラスエナジーホールディングとの共同研究

Inappropriate sitelocation
Appropriate site location

Wind Simulation of Wind Power Plant
over Complex Terrain※風力発電業界のリーディングカンパニー（2018年現在、風車420基を所有、日本全体の約2割のシェア）※工学府 航空宇宙工学専攻 社会人博士課程として、「髙桑 晋」氏を受け入れ(現在、博士課程2年生に在籍)

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6.風工学における数値流体シミュレーション法に関する研究
事例紹介：福岡市からの委託プロジェクト

北北西の風アクロス福岡
読売新聞
2012年7月10日

福岡市天神地区の風の流れ（地上高2m）

66.風工学における数値流体シミュレーション法に関する研究
事例紹介：東京大学TAO計画

チャナントール山の山頂を通る鉛直断面内の風速分布

TAO（東京大学アタカマ天文台）計画Webサイト
http://www.ioa.s.u-tokyo.ac.jp/TAO/（※）TAO計画…TAO（東京大学アタカマ天文台; The University of Tokyo
Atacama Observatory）計画とは、口径6.5mの大型赤外線望遠鏡をチリ共和国
北部アタカマ砂漠のチャナントール山頂（標高5,640m）に建設し、ダークエネルギー（宇宙の膨張を加速するもとになる未知のエネルギー）、銀河・惑星系の起源の謎など天文学の最新トピックスを解明するために集中的に観測を推進することを目指すもので、東京大学大学院理学系研究科天文学教育研究センターが中心となって進めているプロジェクトです。

共同研究

望遠鏡建屋（ドーム）と観測運用棟の鉛直断面内の風速分布

76.風工学における数値流体シミュレーション法に関する研究
事例紹介：JAXAとの共同研究

共同研究

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6.風工学における数値流体シミュレーション法に関する研究
事例紹介：南極・昭和基地

南極昭和基地・管理棟建物群の位置と形状
地面付近の風速分布，瞬間版
共同研究

9応用力学研究所における第 3 期の中期目標・中期計画において， 「風力，太陽光，海洋エネルギー等の個々の研究をさらに進展させる」 となっている。

第2部
現在の研究活動の紹介(風力エネルギーの有効利用：「風車ウエイク」に関する研究)

NREL Phase VI Wind Turbine
at NASA Ames (Lindenburg 2003)

秋田県雄物川風力発電所(日立製作所製の2MW風車22基)
日立製作所製の2MW風車

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風車ウエイク11

12

国内の動向：北九州響灘洋上ウィンドファーム※北九州市が2017年2月15日に正式発表

風車群の最適配置等について技術協力を現在，実施中

風車ウエイクに関する研究・開発(1) 風洞実験によるアプローチ■実施メンバー：JAMSTEC，JAXA，東北大学，京都大学，九州大学
平成28年度特定利用課題 に「採択」
平成28年度特定利用課題
課題名:
課題名: 実風車模型を用いた風車後流風速の定量的評価手法の開発
申請機関:
申請機関: 株式会社 東芝
技術支援：九州大学応用力学研究所風工学分野(内田孝紀 研究室)
技術支援：九州大学応用力学研究所風工学分野(研究室)(2) 野外計測によるアプローチ(3) コンピュータシミュレーションによるアプローチ※九州大学応用力学研究所(主催)にて合同シンポジウムを開催, 2017.2.27-28■実施メンバー：東京大学，技術科学大学，，日本大学，みずほ情報総研，風力エネルギー研究所■実施メンバー：東京大学，九州大学，豊橋九州大学，豊橋技術科学大学
日本大学，みずほ情報総研，風力エネルギー研究所

13

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第2部
ー風車ウエイク研究ー(1)風洞実験によるアプローチ

特定利用課題の採択に関する新聞報道
新エネルギー新聞，2017年1月23日

関連するその他の新聞報道，4件
1)文部科学省
先端研究基盤共用促進事業における特定利用課題に採択
1)－風力発電の効率向上を実現する、新たな評価手法の開発を開始－
東芝プレスリリース 2016年
2016年12月
12月27日
27日2)東芝
新たな風況評価手法で風力の事業性向上へ
2)
電力時事通信社 第7464号
7464号 2017年
2017年1月16日
16日
3)風車への風向
精密解析 東芝、九大などと 発電量を最大化
3)
日本経済新聞 2017年
2017年2月28日
28日 朝刊
4)風向解析し発電拡大
乱流で風車停止 最小限に 東芝と九大
4)
日経産業新聞 2017年
2017年3月2日 朝刊

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16

実風車1/88スケールの縮尺模型の製作
88m

1/88

1m75m

実風車(2MW Wind Turbine 「U88E」)(風洞実験用)
縮尺模型

：周速比

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風洞実験①：パワー係数

トルク試験（発電性能試験）の結果

風車ブレード

風速15(m/s)

Cp最大約600rpm

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風洞実験②
風車ウエイクに関する模型試験対象CFD解析と風洞実験の比較

後流⾵速の試験計測を⾏った断⾯位置にて、解析結果と⽐較評価を実施
ブレード外径側半分の⾵速⽋損は良く再現
ブレード内径側半分でも、解析との誤差は最⼤で4%程度と、⾼い⼀致を確認
⾵⾞ブレードウエイク範囲

縮⼩モデルのため、全体的に⽋損量は⼩さく、また実機スケールの解析結果とも異なる傾向

CFD

ANSYS CFX v14.5
Flow

実験

0.5D

0.5D
実験／CFD⽐較断⾯

実験／CFDの⽐較結果

19第2部
ー風車ウエイク研究ー(2)野外計測によるアプローチ

本研究の対象サイト

日立造船(日立造船(株)との共同研究「風車の相互干渉による後流側風車の発電量低下予測手法に関する共同研究」
風車の相互干渉による後流側風車の発電量低下予測手法に関する共同研究」
2016年
現在
2016年12月～12月～現在

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21

実測データ観測システム

風の向き

SCADAデータ

GPS

超音波式風速センサー
風向・風速センサー

1号機

2号機

ドローン：移動式実風況計測
約280m

ドップラーライダー：定点実風況計測

秋田県雄物川風力発電所(日立製作所製の2MW風車2基)

実測データと風車抵抗モデル(Porous Disk Model)との比較①

風向331度(海風)

ドップラーLIDAR
ドップラーLIDAR「ZephIR(ZephIR(ゼフィア)ゼフィア) ; 英国製」
英国製」

ドップラーライダー設置場所

ターゲット
風速

野外計測条件(海風のケース)

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23

実測データと風車抵抗モデル(Porous Disk Model)との比較②
D=86m
280m (3.3D)

風車受風面

1号機風車位置における気流分布(2号機風車のウエイク影響：3D)

24第2部
ー風車ウエイク研究ー(3)コンピュータシミュレーションによるアプローチ

ポスト「京」重点課題⑥「革新的クリーンエネルギーシステムの実用化」（サブ課題C）の実施体制

⼤規模数値解析によりウィンドファームの発電量の予測や寿命解析を⾏い、⾃然エネルギーを安定に利⽤する技術を確⽴する。

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並列化・性能改善の方針【ポスト「京」クラスのマシン性能を最大限に引き出すアプリへ】• 高い並列性能を達成するため，領域分割の最適化・自動処理– 自動格子生成(Fxgenの活用)– ロードバランス– 低通信量– ベクトル長の確保• ループ演算密度を高め，高いSIMD(※)性能を引き出す– σ’座標系への対応– Metric Array Free– 多ベクトル解法• GPU利用– OpenACC※SIMD = Single Instruction Multiple Data

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27

Horns Rev 1を対象にした数値風況シミュレーション
Wake Visualization

Large Offshore Wind Farm
デンマークHorns Rev 1洋上風力発電所（2002年運開，2MW風車×80台，Vattenfall社）

風車抵抗モデル(Porous Disk Model)に基づいた数値風況シミュレーション結果

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新しい可視化技術の開発
ーGoogle Earth への計算結果の投影ー

Flow

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文部科学省「風と流れのプラットフォーム」および「ポスト京」課題6Cの 合同シンポジウムを九州大学応用力学研究所(主催)にて開催
九大広報室からのプレスリリース(2017.2.10)◇2017年2月27, 28日◇大学関係者、民間企業を中心に100名以上の参加者
九大応力研にて過去に実施してきたシンポジウム(ポスト「京」課題6C関連)◇第1回シンポジウム︓2015年3⽉17⽇
参加者︓約70名◇第2回シンポジウム︓2016年3⽉25⽇
参加者︓約70名

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ポスト「京」プロジェクトを通じての国際共同研究活動の推進

31「IEA Wind Task31」との相互連携

相互連携

https://community.ieawind.org/home今後の課題・予定•σ’座標系への対応•

精度検証（孤立峰を対象にした計算と実験結果の比較, Alpha Ventus）

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性能測定
OpenACC版の評価

Flow風洞実験

計算方位：WSW

Offshore Wind Farmにおけるベンチマーク計算

数値シミュレーション(RIAM-COMPACT)32