風力エネルギーを省エネに活用することで超高効率利用する煙突型排気システムの開発

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本研究の最終目標は、工場の煙突や地下道路の換気塔などの排気用タワーに用いられる強制排気用のファンの消費電力を大幅に省エネするために、「小さくて高効率」，かつ「風向に影響を受けない」創風構造体の形状を「発見」し「実証」することである．2022年度は，風洞実験と数値シミュレーション，及び性能予測理論の構築を実施した．風洞実験では，タワー内部にファンと流速計を設置し，上空風がタワー内部流速，及びファン消費電力に与える影響を，複数の形状のタワーモデルを用いて検証した．その結果，上空風が強くなるにつれ，タワーの創風性能に応じてまずファンに省電力効果があらわれ，さらに，消費電力が0以下になった場合，排気風の加速につながることを明らかにした．数値シミュレーションでは，タワー内部，周囲，及びファンブレード周辺の流れを詳細に3次元解析するために，保存性と互換性に優れる対流型補間法をベースとした，非構造格子を用いた計算スキームを構築し，ベンチマーク計算の速度場，圧力場において良好な結果を得た．理論性能予測においては，翼素運動量理論を用いた定式化を行い，排気ファン消費電力の削減量を，上空風の風エネルギーで無次元化したパワー係数を定義することで，風力エネルギーの利用率を予測・評価した．その結果，ディフューザは排気性能にほとんど影響しないのに対し，タワー出口圧力の低下は排気性能に大きく貢献することが予測された．また，出口圧力を低下させることで，利用する上空風の風エネルギー以上の省エネルギーを達成できるという，大変有望な結果を導くことができた．