3次元高速化渦法による海洋エネルギー利用装置の波浪中発電性能評価手法の開発

基于3D高速涡流法的海洋能利用设备波浪能发电性能评价方法开发

基本信息

批准号：
21H01551
负责人：
永田修一
金额：
$ 9.07万
依托单位：
Saga University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01551/
关键词：
波力発電浮体式洋上風力発電 3次元渦法発電性能評価水槽実験

项目摘要

本研究では、高速多重極法とGPU技術等を導入して、大幅に高速化された3次元渦法をベースに、水面の非線形性、浮体表面から発生し、流体中に放出される渦の粘性拡散影響を正確に考慮して、3次元浮体の運動を時間的に追跡する高速粘性流体解析法を開発して、この手法を浮体型の振動水柱型(OWC)波力発電装置や浮体式洋上風力発電装置に適用して、装置の最適設計を行うことを最終的な目的としている。令和４年度は、計算法に関しては、流速と渦度を未知量とした粘性流体の基礎式を、境界要素法をベースとした渦法を用いて解く場合の課題対策として提案した、厳密な自由表面条件式と物体表面条件式に関して、①境界面からの渦の発生と吸収の現象表示に境界渦流束を用いる、②圧力に関する自由表面条件に渦度を考慮する、③物体表面の境界渦流束表示に流体圧力の勾配を考慮すること、に加え、速度ポテンシャルの計算に2次要素を用いる方法の有効性を調べるために、強制振動される自由表面を持つタンク内にある物体周りの2次元流体運動計算を行った。その結果、粒子法として扱う渦に関して、流体中から自由表面境界へ侵入する渦や、物体表面から発生した渦の物体表面への再付着の処理が重要であることがわかった。また、速度ポテンシャルの計算に2次要素を用いる場合には、物体の隅角点や自由表面と物体表面の交点に2重節点法を導入する必要があることがわかった。実験に関しては、昨年度に引き続き、タービン負荷をオリフィス負荷に置き換えたスパー型の浮体形式を持つ振動水柱型波力発電装置の模型を用いて、規則波中での一次変換効率の実験を行った。空気タービンを搭載した浮体式の後ろ曲げダクトブイ型波力発電装置についても規則波中実験を行い、波パワーから空気パワーやタービンパワーへの変換効率を計測した。また、波力発電用往復流型衝動タービンの性能に関しても引き続き検討を行った。

在本研究中，我们引入了高速多极子方法和GPU技术，并基于显着加速的3D涡流方法，研究了水面的非线性、浮体表面产生的涡流，以及发射到流体中的涡流，精确考虑了粘性扩散效应。我们开发了一种跟踪水随时间变化的运动的高速粘性流体分析方法，并将该方法应用于浮动式振荡水柱（OWC）波浪发电装置和浮动式海上风力发电装置，以实现最佳的装置设计。目的就是这样做。关于计算方法，在2020财年，我们提出了一种严格的方法来解决使用基于边界元法的涡流法求解流速和涡量未知的粘性流体基本方程时关于自由表面条件表达式的问题。和物体表面条件表达式，①边界涡通量用于表示边界表面产生和吸收涡的现象，②除了考虑与压力相关的自由表面条件中的涡量和（3）考虑物体表面边界涡流通量表示中的流体压力梯度之外，我们还研究了使用二次元计算速度势的方法的有效性。我们计算了罐中物体周围的二维流体运动，该物体的自由表面受到强制振动。其结果是，对于用粒子法处理的旋涡，发现处理从流体侵入自由表面边界的旋涡以及从物体表面产生的旋涡重新附着到物体表面是重要的。另外，在使用二次元计算速度势时，发现需要对物体的角点以及自由面与物体表面的交点引入双节点法。实验方面，继去年之后，我们使用将涡轮负载替换为孔板负载的翼梁型浮动结构的振动水柱型波浪发电装置的模型，进行了规则波浪中的一次转换效率的实验。还对装有空气涡轮的浮动后弯导管浮标式波浪发电装置进行了定期波浪实验，测量了波浪能向空气能和涡轮机功率的转换效率。我们还继续研究用于波浪发电的往复式冲击式涡轮机的性能。