非定常・非線形風況シミュレータ非定常・非線形風況シミュレータRIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®®の紹介の紹介

九州大学九州大学 応用力学研究所応用力学研究所

内田内田 孝紀孝紀

takanori@riam.kyushutakanori@riam.kyushu--u.ac.jpu.ac.jp

092092--583583--77767776

本研究の背景本研究の背景

マクロサイティングマクロサイティング((MacroMacro--sitingsiting))

⇒広域風況マップ

◆再解析データ

◆地形因子法

◆気象モデル

⇒気象的要素が支配的

⇒水平解像度500m以上の

粗い分解能

⇒地理情報システム地理情報システム(GIS)(GIS)の利用の利用

地理情報システム(GIS)によりNEDO風況マップ

を表示した例

マクロサイティングマクロサイティング

適地選定における 新の成果適地選定における 新の成果

ーー地理情報システム地理情報システム(GIS)(GIS)によるマクロサイティング例によるマクロサイティング例ーー

風力発電導入有望地区

RIAM-COMPACT®®による

マイクロサイティングへ

NEDONEDOの風況マップとの風況マップとRIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®®の計算結果の比較の計算結果の比較

RIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®®の計算結果の計算結果((合成風況図，合成風況図，50m50m解像度解像度))

NEDONEDOの風況マップの風況マップ(500m(500m解像度解像度))

NEDOの風況マップと明らかに異なる！

日本国内では，風車の適地が海岸地区から山間日本国内では，風車の適地が海岸地区から山間部に移行しており，風力発電の事業評価はこれ部に移行しており，風力発電の事業評価はこれままで以上に厳密に，かつ高精度に行う必要がある．で以上に厳密に，かつ高精度に行う必要がある．

海岸地区海岸地区 山間部山間部

本研究の背景①本研究の背景①

本研究の背景②本研究の背景②

ハブ高さハブ高さ(64m)(64m)におけるにおける

主流方向速度成分の分布主流方向速度成分の分布

ハブ高さハブ高さ(64m)(64m)におけるにおける

速度ベクトルの分布速度ベクトルの分布

現在，稼働中の現在，稼働中のウィンドファームをウィンドファームを対象にした計算例対象にした計算例

山間部の風の流れは山間部の風の流れは非定常な複雑乱流場非定常な複雑乱流場

風のエネルギーは，風速の3乗と受風面積Aに比例．

ローター直径D

風速が2倍になると．．．

発電出力は8倍！

受風面積A

できるだけ風況が良い地点に風力タービンを建設するのが望ましい！

風力タービンの適地を探す

マイクロサイティング技術マイクロサイティング技術

風力発電：再生可能な自然エネルギーの1つ(風力⇒電気)で，現在 も注目されている！

マイクロサイティング①マイクロサイティング①

マイクロサイティングマイクロサイティング((MicroMicro--sitingsiting))⇒ 終的な風力タービンのサイト選定

⇒力学的な要素が支配的

⇒風に対する地形効果(風の変化や風の乱れ)を考慮する必要あり

⇒RIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®(CFD(CFD技術技術))の利用の利用

Local SpeedLocal Speed--Up, Vortex Shedding, Reattachment Up, Vortex Shedding, Reattachment ……

This figure shows the airflow over 2This figure shows the airflow over 2--D escarpment.D escarpment.

マイクロサイティング②マイクロサイティング②

◎◎RIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®®

◎◎WAsPWAsP Comparison of RIAMComparison of RIAM--COMPACTCOMPACT®® and and WAsPWAsP

マイクロサイティング③マイクロサイティング③

先端的風況予測シミュレータ先端的風況予測シミュレータRIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®®（リアムコンパクト）（リアムコンパクト）

の紹介の紹介ーー開発の経緯と位置づけ，導入実績などー開発の経緯と位置づけ，導入実績などー

★ 数値流体力学（Computational Fluid Dynamics）コンピュータを用いて流れを解明しようとする方法

★ 実験流体力学（Experimental Fluid Dynamics）風洞実験や水槽実験などの室内実験において流れの速度や圧力を計測し，流れを解明しようとする方法

★ 理論流体力学（Theoretical Fluid Dynamics）数学的・解析的に流れを解明しようとする方法

レオナルド・ダヴィンチによる渦のスケッチ 済州島の下流に形成されたカルマン渦

http://weather.is.kochi-u.ac.jp/

流体力学流体力学(Fluid Dynamics)(Fluid Dynamics)の分類の分類

風洞実験◇模型製作を含めて高価である◇膨大な時間を要する

◆風洞実験を補完する数値シミュレーション(CFD)

◆風洞実験を先導する数値シミュレーション(CFD)

◆風洞実験に代わる数値シミュレーション(CFD)

◆数値シミュレーション(CFD)による実験（数値実験）

→風工学の分野：CWECWE((CComputationalomputational WWind ind EEngineering)ngineering)

CFDCFD技術（ソフト）技術（ソフト）

コンピュータ（ハード）コンピュータ（ハード）急速な進展

http://www.takenaka.co.jp/

風洞実験の様子

市街地

実地形

風洞実験の代替ツールとしての風洞実験の代替ツールとしてのCFDCFDーーCFDCFD((CComputationalomputational FFluid luid DDynamics)ynamics)ーー

◆◆乱流モデル：乱流モデル：次世代乱流モデルとして期待されている次世代乱流モデルとして期待されているLES(LargeLES(Large--Eddy Simulation)Eddy Simulation)の採用！の採用！

◆◆対象スケール：対象スケール：数数((十十)km)km以下の局所域スケールに的を絞る！以下の局所域スケールに的を絞る！

◆◆特長①：特長①：風に対する地形・建物の効果を高精度に予測！風に対する地形・建物の効果を高精度に予測！◆◆特長②：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！安定成層，不安定成層など種々の大気安定度を考慮！

RResearchesearch IInstitute for nstitute for AApplied pplied MMechanics, Kyushu University,echanics, Kyushu University,COMCOMputationalputational PPrediction of rediction of AAirflow over irflow over CComplex omplex TTerrainerrain

九州大学応用力学研究所発の九州大学応用力学研究所発のマイクロスケールマイクロスケール流体工学流体工学CFDCFDモデルモデル))

流れの衝突流れの衝突

【【風に対する地形効果風に対する地形効果】】

流れの局所的な増速流れの局所的な増速

流れの剥離流れの剥離 流れの再付着流れの再付着

逆流域の形成逆流域の形成((渦放出渦放出))

FlowFlow

非定常・非線形風況シミュレータ非定常・非線形風況シミュレータRIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®®（リアムコンパクト）（リアムコンパクト）

•• 歴史歴史

–– 20032003年年1111月月に 初のに 初のバージョンをリリースバージョンをリリース．．

–– 20062006年年1010月に九州大月に九州大学発ベンチャー企業学発ベンチャー企業

((株株))リアムコンパクトをリアムコンパクトを設立．設立．

–– ((株株))ユーラスエナジーユーラスエナジージャパン，電源開発ジャパン，電源開発((株株))，日本風力開発，日本風力開発((株株))，エコ・パワー，エコ・パワー((株株))，，M&DM&Dグリーンエネルグリーンエネルギーギー((株株))など全国に約など全国に約6060ユーザー．ユーザー．

RIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®® ①①

20072007年度年度

RCRCソフトウエアソフトウエア

を導入済を導入済

RCRCソフトウエアをソフトウエアを使った使った

風車事故調査を実施風車事故調査を実施

コスモ石油コスモ石油

工学分野では数工学分野では数mm以内の物体スケール、気象分野では数十以内の物体スケール、気象分野では数十kmkm以上の広域空間スケールが主な研究対象であった。以上の広域空間スケールが主な研究対象であった。一方、その中間の数一方、その中間の数mm～数十～数十kmkm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。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。ここのスケールギャップに着目し、世界 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のスケールギャップに着目し、世界 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(RIAM--

COMPACTCOMPACT®®：リアムコンパクト：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。の開発に成功し、この分野の新たな道を拓いた。

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スケールによる分類のコンピュータシミュレーションにおけるスケールによる分類

(a)(a)工学分野では工学分野では数数mm以内の物体スケール以内の物体スケール (c)(c)気象分野では数十気象分野では数十kmkm

以上の広域空間スケール以上の広域空間スケール(b)(b)数数mm～数十～数十kmkmのの

局所域スケール局所域スケール

＜＜ ＜＜

地上地上10m10mにおける水平風速における水平風速と風速ベクトルと風速ベクトル，，04180418台風台風

RIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®® ②②

格子生成格子生成（（RCRC--ElevgenElevgen））

流れの可視化流れの可視化（（RCRC--ScopeScope））

ソルバーソルバー（（RCRC--SolverSolver））

WindowsWindows搭載の搭載のPC1PC1台で動作可能台で動作可能

風車図挿入のための作業風車図挿入のための作業（（RCRC--WindmillMakerWindmillMaker））

年間発電量の評価年間発電量の評価（（RCRC--ExplorerExplorer））

前処理前処理PrePre--processingprocessing

後処理後処理PPostost--processingprocessing

RIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®® ③③

•• 入力情報入力情報

–– 11年間の風況観測データ年間の風況観測データ（風速・風向（風速・風向のの時系列データ時系列データ or or 統計処理データ）統計処理データ）

–– 地図情報：標高および土地利用（粗度分布）地図情報：標高および土地利用（粗度分布）

–– 観測点位置観測点位置（十進経緯度）（十進経緯度）

–– 風車配置風車配置（十進経緯度）（十進経緯度）

–– 風車性能特性風車性能特性（（出力係数出力係数））

–– 風車寸法：ハブ高さ・翼径風車寸法：ハブ高さ・翼径

•• 出力結果出力結果

–– 年間発電量（ウエ年間発電量（ウエイイク・ロス考慮）ク・ロス考慮）

–– その他その他の種々のの種々の派生情報派生情報

RIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®® ④④

主主 なな 特特 長長◆◆非非定常・定常・非線形非線形の流体の流体工学工学(CFD)(CFD)モデルモデル

◆◆RANSRANS系モデルよりも有望視されている系モデルよりも有望視されているLESLES乱流モデルを採用乱流モデルを採用

◆◆地理情報システム地理情報システム(GIS)(GIS)との連携により，との連携により，国内外を問わず，世界中のあらゆる平坦国内外を問わず，世界中のあらゆる平坦地形と複雑地形に適用可能地形と複雑地形に適用可能

◆風速分布のみならず，乱流強度分布など◆風速分布のみならず，乱流強度分布などのの33次元アニメーション表示が可能次元アニメーション表示が可能

◆観測データに基づいて，任意地点の年間◆観測データに基づいて，任意地点の年間発電電力量や設備利用率が評価可能発電電力量や設備利用率が評価可能

◆風車に対する風荷重を評価するための，◆風車に対する風荷重を評価するための，風の時系列データの出力が可能風の時系列データの出力が可能

◆風車立地点における風速分布や乱流強度◆風車立地点における風速分布や乱流強度の鉛直プロファイルを表示可能の鉛直プロファイルを表示可能

◆風車受風面内の風の吹き上げ角度や吹き◆風車受風面内の風の吹き上げ角度や吹き下げ角度などを出力可能下げ角度などを出力可能

ハブ高さハブ高さ(64m)(64m)におけるにおける

速度ベクトル速度ベクトルの分布の分布

風力発電分野風力発電分野

現在 も活用されている分野現在 も活用されている分野

RIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®® ⑤⑤

【【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(風力発電)・巨大都市域(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

【【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】】・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(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】】・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

RIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®の応用分野の応用分野

特に重点を置いているテーマ

竜巻シミュレータの開発

風向変動を考慮したガス拡散予測

先端的風況予測シミュレータ先端的風況予測シミュレータRIAMRIAM--COMPACTCOMPACT®®（リアムコンパクト）（リアムコンパクト）の紹介の紹介

ーー予測精度および 新の可視化技術予測精度および 新の可視化技術ーー

計算領域と諸パラメータ計算領域と諸パラメータ

国土地理院の国土地理院の50m50m標高データ利用標高データ利用◎水平方向◎水平方向領域：領域： 16km16km××12km12km

対象となる風車対象となる風車

計算結果①計算結果①

ハブ高さハブ高さ(65m)(65m)における速度ベクトルの分布における速度ベクトルの分布

1.41.4

--0.40.4

u/Uinu/Uin

対象となる風車対象となる風車

対象とする風車を通る速度ベクトルの鉛直分布対象とする風車を通る速度ベクトルの鉛直分布

1.41.4

--0.40.4

u/Uinu/Uin

対象となる風車対象となる風車

計算結果②計算結果②

ーーWTGWTG適地選定の実例適地選定の実例ーー

実風速の再現性について実風速の再現性について

WTGの大型化に伴い受風鉛直断面内での風況評価が重要！

鹿児島県野間岬ウィンドパーク

計算手順と計算結果①計算手順と計算結果①

# Wind speed : 10m/s# 1/7 power law

第1号基のハブ高さにおける風速の時間変化，

2003年1月2-3日，(2日分)，1分値，2880個のデータ

0

5

10

15

20

25

観測値 予測値

風速(m/s)

2003年1月2日 2003年1月3日 2003年1月4日

ナセル搭載の風速計の値

No.1No.1 No.4No.4

計算手順と計算結果②計算手順と計算結果②

第1号基のハブ高さ月別平均風速の変化，2002年6月～2003年5月(1年分)

0

5

10

15

6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月

1号基(評価地点)の予測値

1号基(評価地点)の実測値

風速(m/s)

2002年 2003年

No.1No.1 No.4No.4

計算結果③計算結果③

計算結果④計算結果④

第1号基のハブ高さ月別平均風速の変化，2002年6月～2003年5月(1年分)

月別平均風速に月別平均風速における実測値とのおける実測値との

相対誤差相対誤差 1 01 0 ％％

以内以内

年平均風速に年平均風速における実測値とおける実測値と

の相対誤差の相対誤差11％％

以内以内

No.1No.1 No.4No.4

アニメーション

計算結果⑤計算結果⑤

RIAMRIAM--COMPACTCOMPACT計算結果の新たな表現方法への取り組み計算結果の新たな表現方法への取り組み

ーーGoogle EarthGoogle Earth上での風速分布の可視化上での風速分布の可視化ーー

計算結果⑥計算結果⑥

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30

RealDesign

Output power (kW)

Wind speed(m/s)

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30

PredictDesign

Output power (kW)

Wind speed(m/s)

実測値実測値

第第11号基号基((評価地点評価地点))における風速と発電電力量の関係における風速と発電電力量の関係, ,

20032003年年11月月11日，日，00時～時～2424時時(1(1日分日分))，，11分値，分値，14401440個のデータ個のデータ

ーーWTGWTG適地選定の実例適地選定の実例ーー

発電電力量の再現性について発電電力量の再現性について

予測値予測値

定格出力定格出力300kW300kW

第第11号基の発電電力量の時間変化，号基の発電電力量の時間変化，

20032003年年11月月11日，日，00時～時～2424時時(1(1日分日分))，，11分値，分値，14401440個のデータ個のデータ

計算結果①計算結果①

0

50

100

150

200

250

300

350

0 4 8 12 16 20 24

PredictionObservation

Time (h)

Output power (kW)

第第11号基の発電電力量の時間変化，号基の発電電力量の時間変化，

20032003年年11月月11日，日，55時～時～1515時時(10(10時間分時間分))，，11分値分値

計算結果②計算結果②

0

50

100

150

200

250

300

350

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

PredictionObservation

Time (h)

Output power (kW)

計算結果③計算結果③

第第11号基の設備利用率：号基の設備利用率：2828%%設備利用率設備利用率((％％))＝総発電電力量（＝総発電電力量（kWh)kWh)／（定格出力／（定格出力(kWh)(kWh)××計測時間計測時間(h)(h)））××100100

第第11号基の月別発電電力量の変化，号基の月別発電電力量の変化，20022002年年66月～月～20032003年年55月月((11年分年分))

No.1No.1 No.4No.4

月別平均発電量に月別平均発電量における実測値とのおける実測値との

相 対 誤 差相 対 誤 差 1 01 0 ％％

以内以内

年発電電力量年発電電力量における実測値における実測値との相対誤差との相対誤差

11％％以内以内

岩屋ウィンドファームにおける岩屋ウィンドファームにおける年間発電電力量の検証結果年間発電電力量の検証結果

ウィンドファームウィンドファーム(18(18台合計台合計))のの年間発電電力量の予測精度は約年間発電電力量の予測精度は約22％％

赤：赤：RCRCの結果の結果

青：観測値青：観測値

先端的風況･拡散シミュレータRIAM-COMPACT®の開発と実用化

―種々の適用例の紹介―内田孝紀，大屋裕二（九州大学応用力学研究所）

1．ブラフボディ周りの流れ解析

図8 地面近傍の風況特性

問合せ先：内田孝紀(092-583-7776，takanori＠riam.kyushu-u.ac.jp)

我々は，数(十)km以下の局所域スケールに的を絞り，RIAM-COMPACT®(Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Computational Prediction of Airflow over Complex Terrain)と称する非定常風況・拡散シミュレータを開発している．この数値モデルは，1)ブラフボディ周りの流れ解析，2)建物群，市街地の風環境予測，3)単純地形，複雑地形周りの風況予測，4)風力エネルギー有効利用のための風況精査，5)単純地形および複雑地形周りの大気汚染物質の移流拡散場シミュレーションに適用可能である．

図1 円柱周りの流れ，流線図，Re=5×105

2．建物群周りの風環境予測

図2 九州大学新キャンパスおよび福岡ドーム周辺の風況シミュレーション

4．複雑地形上の風況予測

図5 新北九州空港周辺の風況シミュレーション

図6 九州大学新キャンパス(造成前)の風況シミュレーション

3．単純地形周りの風況予測

図3 パッシブ粒子追跡法，瞬間場

(a)2次元尾根モデル (b)3次元孤立峰モデル

図4 時間平均場に対する流線図(a)2次元尾根モデル (b)3次元孤立峰モデル

5．風力エネルギー有効利用のための風況精査

図7 和歌山県潮岬の鳥瞰図

西風

風速：大風速：小

6．大気汚染物質の移流拡散場シミュレーション

(a)中立時

(b)安定時

(c)不安定時

図9 岡山県倉敷市水島地区の拡散場シミュレーション

(a)煙源が低い場合

(b)煙源が高い場合

図10 単純地形の場合，不安定時

西風

図11 三宅島の火山ガス挙動の予測，中立時

(a)パッシブ粒子の挙動(b)スカラー濃度の分布