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2001 年 3 月 28 日 京都大学 防災研究所

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2001 年 3 月 28 日 京都大学 防災研究所. LES を用いた局地的風況予測モデルの開発 ○ 内田 孝紀,大屋 裕二 (九州大学 応用力学研究所). 本研究の背景(1). 日本の地勢を概観すると, 欧米とは著しく異なり, 多様性に富む複雑地形がほとんどである. 日本国内において, 1)風力発電の適地選定(風力エネルギーの利用) 2)立地後の日々の発電予測  (強い風⇒風車稼動,弱い風⇒風車停止) などを考えた場合,地形起伏の影響を受けた 風況特性を把握することが極めて重要となる.. 本研究の背景(2). 欧米で汎用的に使用されている 線形数値モデル

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Presentation Transcript
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2001年3月28日 京都大学 防災研究所

LESを用いた局地的風況予測モデルの開発

○内田 孝紀,大屋 裕二 (九州大学 応用力学研究所)

slide2
本研究の背景(1)

日本の地勢を概観すると,欧米とは著しく異なり,

多様性に富む複雑地形がほとんどである.

日本国内において,

1)風力発電の適地選定(風力エネルギーの利用)

2)立地後の日々の発電予測

 (強い風⇒風車稼動,弱い風⇒風車停止)

などを考えた場合,地形起伏の影響を受けた

風況特性を把握することが極めて重要となる.

slide3
本研究の背景(2)

欧米で汎用的に使用されている線形数値モデル

(Jackson-Huntモデル,Mass-Consistentモデルなど)

国内の局所風況予測に適用した場合,

⇒その予測精度は著しく低下する.

(原因)

流れの剥離を伴わない比較的なだらかな地形を

対象にしているから.

slide4
本研究の背景(3)

日本の地勢に適した,すなわち,急峻な地形起伏に起因して生じる剥離流や,あるいはその周辺の風況変化を高精度に予測できる局地的風況予測モデル

の確立が強く期待されている.

このような社会的,工学的要請があるにも関わらず,十分な予測精度を有する数値モデルは未だ確立され

ておらず,各方面で精力的な研究が行われている.

slide5
本研究の目的

差分法(FDM:Finite-Difference Method)を用いて,

数百m~数十km程度の空間スケールを対象にした

局地的風況予測モデルの開発を行う.

◎局所的な風の増速域の推定

◎増速率の把握

◎強風発生のメカニズム解明

RIAM-COMPACT

ResearchInstitute for Applied Mechanics, Kyushu University,

Computational Prediction of Airflow over Complex Terrain

slide6

RIAM-COMPACTの特徴(1)

~2種類の計算格子を適宜選択可能

直交座標系

一般曲線座標系

CPU時間はほぼ同じ

スタガード格子

コロケート格子

slide7

RIAM-COMPACTの特徴(2)

~LESにより非定常乱流場の計算

粗視化

(coarse graining)

乱流場

大小様々な

渦の流れ

サブグリッドスケール(SGS)

⇒モデル化する

グリッドスケール(GS)⇒直接解く

slide8

RIAM-COMPACTの特徴(2)

~LESの支配方程式

dθB/dz=1

ブシネスク近似

スマゴリンスキーモデル

slide9

Grid 1

Grid 2

Flow

one way nesting

RIAM-COMPACTの特徴(3)

~ネスティング手法の導入

広域(Grid 1)から注目する局所域(Grid 2)まで

多段階で効率良く計算することが可能

slide10

CodeⅠ

CodeⅡ

Coordinate system

Orthogonal coordinate

Generalized curvilinear coordinate

Variable arrangement

Staggered arrangement

Collocated arrangement

Discretization method

Finite-difference method (FDM)

Coupling algorithm

Fractional step method

Time advancement method

Euler explicit method

Poisson equation for pressure

Successive over relaxation (SOR) method

Convective terms

3rd-order upwind scheme based on an interpolation method

(α=0.5)

Other spatial derivative terms

2nd-order central scheme

SGS model

Smagorinsky model + Wall damping function

RIAM-COMPACTの数値計算法

slide11

δ

z

x

2πδ

RIAM-COMPACTの計算精度の検証 ~壁面せん断乱流場RIAM-COMPACTの計算精度の検証 ~壁面せん断乱流場

壁面せん断乱流場のLESを行い,

DNSデータベースとの比較を行う.

◎レイノルズ数:Reτ(=uτδ/ν)=180

◎計算領域:2πδ(x)×πδ(y)×δ(z)但し,zが鉛直方向を示す

◎格子点数:129(x)×129(y)×65(z)点

◎速度の境界条件:

主流方向(x)と主流直交方向(y)は周期境界条件,

  上部境界は滑り条件,地表面は粘着条件

◎スマゴリンスキー定数:CS=0.1

◎無次元時間刻み:Δt=1×10-4

slide12

壁面せん断乱流場の流れの可視化(瞬間場,Rear view,Reτ=180)

スタガード格子

コロケート格子

δ

z

y

πδ

流れはこちらへ

slide13

壁面せん断乱流場の乱流統計量

平均速度分布

乱流強度分布

slide14
RIAM-COMPACTの計算精度の検証 ~孤立地形周りの安定成層流RIAM-COMPACTの計算精度の検証 ~孤立地形周りの安定成層流

一様近寄り流速に対する流れの増速率とその発生

場所を精度良く予測できるかどうかに注目する.

◎レイノルズ数:Re(=Uh/ν)=3000

◎フルード数:Fr(=U/Nh)=∞(中立成層流),1,0.5,0.1(安定成層流)

◎格子点数:221(x)×121(y)×81(z)点,Δzmin=2×10-3h

◎地形の断面形状:z(x, y)=cos2(π(x2 + y2) 1/2 /2L)但し,L=2.5

◎速度の境界条件:

流入境界は一様流入条件,側面と上部境界は滑り条件,

   流出境界は対流型流出条件,地表面は粘着条件

◎モデル定数:CS=0.1, PrSGS=0.5

re 3000 fr 1 0 5 0 1
孤立地形の周辺風況場,コロケート格子(瞬間場,Re=3000,Fr=∞,1,0.5,0.1)孤立地形の周辺風況場,コロケート格子(瞬間場,Re=3000,Fr=∞,1,0.5,0.1)

Fr=∞

(中立成層流)

Fr=1

(安定成層流)

Fr=0.5

(安定成層流)

Fr=0.1

(安定成層流)

主流方向の速度成分

流線

slide16

海の中道

糸島半島

九州大学

箱崎地区

博多湾

福岡市

九州大学

六本松地区

福岡平野

九州大学

筑紫地区

実地形上の風況場予測(中立成層流)~九州大学新キャンパス移転地周辺

slide17

広域地形の風況シミュレーション ~移転地に対する火山と可也山の影響広域地形の風況シミュレーション ~移転地に対する火山と可也山の影響

移転地

slide18
計算パラメータの設定,コロケート格子

◎実地形の形状:国土地理院の数値地図データ (50mメッシュ)

◎格子点数:196(x)×157(y)×81(z)点

水平方向は等間隔(Δx=Δy=50m,すなわち, Δx=Δy=0.14h)

  鉛直方向は不等間隔(Δz=1.78~178m ,すなわち, Δz=5×10-3h~0.5h)

◎レイノルズ数:Re(=U∞h/ν)=2.5×104

 可也山(365m)を高さhとし,流入境界面での高さhにおける風速U∞に基づく

◎速度の境界条件:

流入境界は一様流,側面と上部境界は滑り条件,

  流出境界は対流型流出条件,地表面は粘着条件

◎無次元時間刻み:Δt=1×10-3

◎スマゴリンスキー定数:CS=0.1

U∞=5 (m/s)とすると

Δt=0.073 (sec)

T=100h/U∞では

Time =7300 (sec)

≒ 2 (hour)

slide19
計算結果と考察(1)~時間平均流(水平断面)計算結果と考察(1)~時間平均流(水平断面)

z*=60m

z*=100m

キャンパス移転地に対して,可也山に起因した乱れの影響はほとんどない.

slide20
計算結果と考察(2)~乱流統計量の鉛直分布計算結果と考察(2)~乱流統計量の鉛直分布

速度欠損

⇒火山後流の影響

地表面からの高さ z* (m)

乱れの極大値

火山

の頂部

増速

平均速度(<u>/U∞)

乱れ強さ(σu)

slide21

ネストグリッドを用いた風況シミュレーション~キャンパス移転地の高解像度計算ネストグリッドを用いた風況シミュレーション~キャンパス移転地の高解像度計算

移転地

(水平分解能50m)

(水平分解能25m)

grid 2
計算結果と考察(1),Grid 2~移転地周辺の時間平均流(水平断面)

石ヶ岳

石ヶ岳

z*=20m

z*=60m

火山と可也山の谷部下流域にあたる石ヶ岳山頂付近において,一様流入速度に対して

約20パーセントの増速が確認される.

slide23
計算結果と考察(2)~平均速度の鉛直分布

地表面からの高さ z* (m)

Grid 1(50m分解能)

Grid 2(25m分解能)

slide24
計算結果と考察(3)~乱れ強さの鉛直分布

地表面からの高さ z* (m)

Grid 1(50m分解能)

Grid 2(25m分解能)

slide25
計算結果と考察(4)~キャンパス移転地周辺の風況特性計算結果と考察(4)~キャンパス移転地周辺の風況特性

乱れ大

⇒火山の

  後流域

西の風

乱れ小

⇒火山と

  可也山

  の谷部

1)Bird’s-eye view

2)Top view

石ヶ岳山頂付近:

一様流入速度に対して

約20パーセントの増速

slide26

一様流

3m/s

地形模型

移転地

325

4500

(単位:mm)

風洞実験による計算結果の検証

◎1/5000の地形模型を大型風洞内(幅3.6m×高さ2.0m×長さ15m)に設置

◎地形への流入風 : 一様流(計算と同じ状況を再現,325mm持ち上げる)

◎可也山(365m)を基準高さとしたレイノルズ数 : Re=1.6×104

◎ I 型熱線風速計による気流特性の計測(風の増速域や増速率など)

◎スモークワイヤー法による流れの可視化

slide27

地球大気動態シミュレーション装置(大型境界層風洞)地球大気動態シミュレーション装置(大型境界層風洞)

測定胴

単回路回流式

風速:0.5~30[m/s]

測定胴:3.6[m]幅

×2.0[m]高

×15[m]長

全体図

slide28

風洞実験の様子

測定胴内に設置した

1/5000の地形模型*

キャンパス移転地周辺

*地形模型は九州大学 新キャンパス推進室所有

slide29
数値計算と風洞実験の比較~平均速度の鉛直分布数値計算と風洞実験の比較~平均速度の鉛直分布

速度欠損

速度欠損

地表面からの高さ z* (m)

有意な差異

風洞実験

数値計算

slide30
スモークワイヤー法による流れの可視化

Flow

火山の頂部を過ぎる流れ

火山と可也山の谷部を過ぎる流れ

slide31
まとめ

 数百m~数十km程度の小規模から中規模な空間スケールを対象にした局地的風況予測モデル(RIAM-COMPACT)の特徴を示し,計算コードの検証

を行った.

 次に,九州大学新キャンパス移転地周辺の風況場予測を行った.また平行して風洞実験を行い,計算

コードの有効性および計算結果の妥当性を検証した.

slide32
今後の課題

1)地面境界条件の精緻化

2)実際の流入気流が有する速度勾配と乱れ効果の再現

3)大気成層乱流に適したSGSモデルの改良

4)RIAM-COMPACTにおける境界条件を適切に設定する

ための,広域スケールを対象にした地域気象モデル

(CSU-RAMS)との接続法の開発

5)局所風況観測網(NeWMeK)を利用した局所風況予測

csu rams
地域気象モデル(CSU-RAMS)との接続~広域な気象場を反映した局所風況予測地域気象モデル(CSU-RAMS)との接続~広域な気象場を反映した局所風況予測

CSU-RAMS

(Grid 2)

RIAM-COMPACT

への接続(境界条件)

CSU-RAMS(Grid 1)

ECMWF(ヨーロッパ中期予報センター)

の客観解析気象データをナッジング

RIAM-COMPACTによる局所風況予測

newmek
局所風況観測網(NeWMeK)との接続~局所域の気象観測データを利用した風況予測局所風況観測網(NeWMeK)との接続~局所域の気象観測データを利用した風況予測

RIAM-COMPACT

への接続(境界条件)

RIAM-COMPACTによる

局所風況予測

NeWMeK風速分布図

NeWMeK site

NeWMeK(Network for WindMesurement of Kyushu)

九州広域高密度風観測システム