OE-P53-20(公社)日本船舶海洋工学会

波力発電における水槽試験での模型縮尺影響研究委員会（P-53 研究委員会）

最終報告書
R02 年 3 月

委員名簿
○村井基彦

横浜国立大学

今井康貴

佐賀大学

居駒知樹

日本大学

安澤幸隆

九州大学

宮島省吾

三井造船 昭島研究所

胡 長洪

九州大学

末吉 誠

九州大学

北澤大輔

東京大学

二瓶泰範

大阪府立大学○委員長

研究発表
平成 29 年日本船舶海洋工学会

秋季講演会

OS２海洋再生可能エネルギー変換装置の実験的研究(キックオフ)
井上俊司, “海洋再生可能エネルギー発電装置の安全性照査のための水槽実験の基本的考え方について”
井上俊司, “波力発電装置の安全性照査のための水槽実験における尺度影響に関する一考察”
今井康貴, 永田修一, 村上天元、“波力発電装置の電力変換に関する研究”
村上天元, 今井康貴, 永田修一, 高尾学, 瀬戸口俊明、“固定式 OWC 型波力発電装置のエネルギー変換性能に関する発電実験”
居駒知樹, 惠藤浩明, 増田光一, 渋谷省吾

“山形県酒田港における二重有孔ケーソンを利用した OWC 型波力発電装置に関する水槽実験”
令和元年日本船舶海洋工学会

春季講演会

木原禎之, 居駒知樹, 平井翔太, 惠藤浩朗, 増田光一, 相田康洋, “振動水柱型波力発電装置の空気室特性に与える縮尺影響に関する基礎的研究”
令和 2 年日本船舶海洋工学会

春季講演会

平井翔太, 居駒知樹, 相田康洋, 増田光一, 惠藤浩朗, “振動水柱型波力発電装置の空気室特性に与える縮尺影響に関する基礎的研究 (その２)”
第 28 回海洋工学シンポジウム(令和 2 年 9 月)

平井翔太, 居駒知樹, 相田康洋, 増田光一、“振動水柱型波力発電装置の空気室の縮尺及び形状が空気室特性に与える影響に関する基礎的研究”
村井基彦、藤岡昌希、長島拓也、“OWC 型波力発電装置を模した水槽実験における流体力係数の尺度影響に関しての研究”目次
研究委員会の活動概要

・・・4

活動概要
委員会の開催歴
研究成果

・・・５

縮尺の異なる OWC モデルでの水槽実験(1) 円筒型 OWC モデル(2) 直方体型 OWC モデル
縮尺の異なる OWC モデルでの数値解析例
結論

・・・11

研究委員会の活動概要
活動概要

本研究委員会の発足にあたっては、S-13 の海洋再生可能エネルギー水槽実験方法検討委
員会において、海洋再生可能エネルギーに関する国際的に活発化している研究および商用化へ向けた活動状況の調査を通して、この数年での水槽実験での模型が、一時の大型化から、再度小型へシフトしている動向がうかがえた。
例えば、海洋再生可能エネルギーの商用化に向けての ITTC などのガイドラインでは、TRL（Technology Readiness Level）に沿ってモデルの縮尺を上げていくことが推奨されている。例えば 1/100 であれば TRL1~3 相当、1/20 であれば TRL4~5 相当、実海域での実機の 1／5 程度が TRL7 などのように、模型サイズを徐々に大きくしながら商用レベルのTRL9～10 への順を追ってサイズを上げていきながら開発されることが想定されている。
これを踏まえると、近年の水槽実験での縮尺が再度小型化にシフトしたトレンドが見出されたことは、商用化に近い段階からやや戻りがあると見なせる可能性がある。
この背景の下で、平成 29 年 7 月に発足した本研究委員会では、機構としては比較的単純な OWC モデルに焦点を絞り、その尺度影響について実験的に調査することを目的として活動を開始した。具体的には平成 29 年度～令和元年度の期間において、直径 6m の円筒型 OWC を想定した 1／120～1／12（直径 5cm～50cm）の縮尺モデルの水槽実験を、佐賀大学海洋エネルギーセンター、九州大学、横浜国立大学において、更に、断面形状が正方形の正方柱型 OWC モデルについては一辺 10cm～40cm のモデルでの実験を日本大学において実施した。
期間中に 6 回の委員会開催を実施し、成果としての報告は、本学会の定期講演会でのOS および一般講演、海洋工学シンポジウムなどを通して情報発信を行った。
委員会の開催
開催日

場所

出席者数

第 1 回 平成 29 年 11 月 28 日

広島国際会議場内・会議室

7名

第 2 回 平成 30 年 3 月 27 日

リファレンス博多駅東・会議室

6名

第3回

東大柏キャンパス

7名

平成 30 年 11 月 27 日

第 4 回 平成 31 年

2 月 28 日

WEB 会議6名

第5回

平成 31 年3 月 27 日

大阪府大 I-site なんば

6名

第6回

令和

3 月 27

WEB 会議

3名

2年

研究成果
背景および目的
本研究委員会の発足にあたっては、S-13 の海洋再生可能エネルギー水槽実験方法検討委
員会において、海洋再生可能エネルギーに関する国際的に活発化している研究および商用化へ向けた活動状況の調査を通して、この数年での水槽実験での模型が、一時の大型化から、再度小型へシフトしている動向がうかがえた。
例えば、海洋再生可能エネルギーの商用化に向けての ITTC などのガイドラインでは、TRL（Technology Readiness Level）に沿ってモデルの縮尺を上げていくことが推奨されている。例えば 1/100 であれば TRL1~3 相当、1/20 であれば TRL4~5 相当、実海域での実機の 1／5 程度が TRL7 などのように、模型サイズを徐々に大きくしながら商用レベルのTRL9～10 への順を追ってサイズを上げていきながら開発されることが想定されている。
これを踏まえると、近年の水槽実験での縮尺が再度小型化にシフトしたトレンドが見出されたことは、商用化に近い段階からやや戻りがあると見なせる可能性がある。
この背景の下で、平成 29 年 7 月に発足した本研究委員会では、機構としては比較的単純な OWC モデルに焦点を絞り、その尺度影響について実験的に調査することを目的として活動を開始した。具体的には平成 29 年度～令和元年度の期間において、直径 6m の円筒型 OWC を想定した 1／120～1／12（直径 5cm～50cm）の縮尺モデルの水槽実験を、佐賀大学海洋エネルギーセンター、九州大学、横浜国立大学において、更に、断面形状が正方形の正方柱型 OWC モデルについては一辺 10cm～40cm のモデルでの実験を日本大学において実施した。
期間中に 6 回の委員会開催を実施し、成果としての報告は、本学会の定期講演会でのOS および一般講演、海洋工学シンポジウムなどを通して情報発信を行った。本報告書では、その概要を紹介する。個々の詳細については研究発表に掲載されている報告を参照されたい。

縮 尺 の 異 な る OWC モ デ ル で の 水 槽 実 験（1） 円筒型モデル
図１に示すような大きさの異なる相似の直方型モデル OWC について、強制動揺試験を佐賀大学海洋エネルギーセンター(図 2)および横浜国立大学の水槽で行いその応答力について調査を行った。また、同じ形でも OWC モデルに於ける異なる孔径（孔面積が断面積の 1／1, 1／50～1／800）の実験も実施した。孔径比 1／1 は単なる円筒による強制動揺実験である。

図１：円筒型モデル

図 2：実験水槽（佐賀大学海洋エネルギーセンター）

図３：尺度の異なる水槽実験の計測結果の例

図３は孔径比 1／200 での計測結果の例である。模型の実サイズが大きい（a）直径20cm、（b）直径 10cm の場合にはノイズはあまり目立たないが、物体の直径が 5cm のモデル（c）には振動振幅と同程度振幅のノイズが入ってしまっていることが伺える。しかし，これだけのノイズがあっても調和成分を取りだしてみると、縮尺比に比して力の振幅がおおむね 3 乗になっており調和成分については実験値から有意な値が取り出せることが窺えた。

(a) 1/50 nozzle ratio(b) 1/200 nozzle ratio(c) 1/800 nozzle ratio

図 4 強制振動による OWC への反力（左：造波減衰力成分、右：復原力成分）
図 4 は強制振動により生じた流体力を変位に対する位相差から造波減衰力成分(左) と復原力成分(右)に分離した結果を示している。横軸は,重力加速度𝑔と各模型直径𝑑で周期𝑇を𝑔無次元化し(𝑇√ ⁄𝑑)，縦軸は,水の密度𝜌と重力加速度𝑔と模型のフチ面積𝑆𝑚 と模型変位𝑧𝑚 を用いて𝜌𝑆𝑚 √𝑔𝑧𝑚 で除して無次元化している。尺度が大きくなっていくほど空気ダンパーの影響は大きくなっていることが確認できる。また、縮尺比よりも絶対的なノズルから出る風速またはノズルの絶対的な大きさが空気ダンパーの成分に寄与していることもうかがえた。スケール比ごとの復原力成分を比較すると，ノズル比 1/50,1/200 の時はスケールが大きくなるにつれて空気ばねの影響が大きくなっていくことが確認できた。

周期ごとに比較してみるとスケール比 1/30 の場合周期が小さくなるにつれて相対的な復原力が大きくなっていく傾向がみられた。これは周期が短くなっていくにつれて水柱も模型についていくようになり，水柱を持ち上げる力が強くなっているためではないかと考えられ、ノズル比は同じでも尺度によって異なってくるノズルの絶対的な大きさの影響が示唆されている。
（２） 直方型 OWC モデル
図５に示すような大きさの異なる相似の直方型モデル OWC について、強制動揺試験を実験水槽で行いその応答力について調査を行った。また、同じ形でも OWC モデルに於ける異なる孔径（孔面積が断面積の 1／50～1／150）の実験も実施した。

Scale: 1/S
Draft
d [mm]Height ofbody
HA [mm]Amp. offorcedoscillation
ζ [mm]
Period offorcedoscillation
T [second]
Orificeratio
ϵ =AO/AOWC

Type A
1/1

Type B
1/2

Type C
1/4

400

200

100

LH
MH
SH

400
300
200

LH
MH
SH
H400mm200150100400

LH
MH
SH
H400mm

10075
50
400

Sζ

Mζ

Lζ

Sζ

Mζ

Lζ

Sζ

Mζ

Lζ

40

60

80203040

1015201.10 to 3.63

0.78 to 2.56

0.55 to 1.81

1/50, 1/100, 1/150*1Water
depth [mm]1000
*1 AO: area of orifice, AOWC: area of OWC surface

図５：直方型モデル
図６は type A（40cm モデル）と type B（20cm モデル）空気室内部圧力および平均相対水位の比較を示しているが、40cm モデルでわずかに空気室内部圧力が大きくなり空気室内部相対水位は小さくなっている様子はあるが、20cm モデルとの結果には殆ど差はみられていない。結果として，空気室高さの違いの影響は殆ど現れていないため，空気室容積の違いによって結果は変わらないことが確認された．これらのことから，本研究の縮尺では OWCの水面が空気室の上壁に到達しない程度の高さであれば，空気室の高さによる影響はほとんど無いと考えられる．しかしながら，本研究での縮尺は 1/2 であり，この程度の縮尺では空気の圧縮率の影響は確認されなかった。

図６：異なる尺度による一次成分力の比較（左：空気室の違い、右：ノズル比の違い）
縮 尺 の 異 な る OWC モ デ ル で の 数 値 解 析 例
これまでに実験から見られた傾向が、数値解析によってどのように現れるかについても検討を行っている。図 7 は居駒らによって示された速度ポテンシャルによる計算モデル及び計算例である。この手法及びプログラムコードは OWC を備えた構造の速度ポテンシャ
ルを分析し、OWC の自由表面の影響を直接考慮することができる。OWC 上の空気室及び自由表面は境界条件を使用して考慮される。図 7 には数値解析との比較例を示す。
これを見ると数値解析は実験結果を再現できていることが確認できる。この計算においては空気室などだけでなく、OWC モデルの壁厚を水線面積に対して十分にとることが有用であることを指摘している（計算では壁厚を 40mm と設定）。

図 7：ポテンシャルによる数値解析例
また、ANSYS FLUENT を用いて、空気層との流体との混合モデルによる数値解析についても実施している。尺度影響がどの程度でるのかについても検討を行った図 6 はその数値解析の例である。

図８：空気層との混合での OWC モデルの数値解析例
これを見ると、尺度によって応答力が確かに異なっていることが判る。これらの結果か
らは、数値計算でも尺度の影響はあるが、実験では更にその影響が大きく出ており、縮尺の大きさよりも、ノズル比による影響の方が大きく効く場合も有り、小さい縮尺だとノズ
ル比の精度が各種の力に与える影響もありそうな事が示唆された。

結論
本研究委員会では、この数年での水槽実験での模型が、一時の大型化から、再度小型へシフトしている動向を踏まえ、機構のシンプルな OWC モデルにターゲットを絞り、縮尺の異なる水槽実験模型を用いることで、各種の応答への尺度の影響を主に実験的に調査を行った。
これらの結果からは、ある程度実寸の小さい模型では、空気室高さは空気室内の空気圧と流量の特性に殆ど影響を与えないこと、またノズル比の違いは空気室特性に影響を及ぼし、特に低周波数域でより顕著に確認されること、ポテンシャル理論を適用した数値計算によって実験結果を適切に再現できる可能性を示すとともに、空気層と流体層の混合の数
値計算モデルでも、実験ほど顕著ではないが尺度による相対的な応答値の違いが観察された。
ただし、今回用いた OWC モデルでは実験でも解析でも発電機などは搭載しておらず、波浪発電量などを評価する際には、これらのエネルギー損失などが発電機以外で生じることや実機に近づくにつれてノズル比によってはノズルを透過する空気の流れが亜音速に近づき空気室内での空気圧の計測の重要性などが確認され、これらの尺度や模型寸法よる各種の影響を十分に検討すること重要であることが改めて確認された。