2001 年 3 月 28 日 京都大学 防災研究所

1. 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）

2. 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．

3. 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．

4. 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．

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. δ z x 2πδ 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 志 賀 島 海の中道 糸島半島 九州大学 箱崎地区 能 古 島 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

17. 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

18. 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)

19. 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．

20. 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）

21. 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)

22. 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．

23. 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)

24. 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)

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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．

32. 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

33. 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

34. 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