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。

这项研究介绍了高速多极方法和GPU技术，并使用明显更快的3D涡流方法来开发一种高速粘性流体分析方法，该方法跟踪了三维浮动物体的运动，考虑到水面的非线性，以及从浮动物体的浮力 - 浮动物体的效果中产生的浮动液体的影响，利用了浮动的浮力 - 使用这种方法，并使用浮动的涡流扩散，并使用该方法来释放的浮动液体，并使用这种方法来释放。振动水柱类型（OWC）波发电设备和浮动式海上风力发电设备，以优化设备设计。在2022财年的计算方法中，我们提出的作为对策，以解决基于边界元素方法的涡流方法解决涡流方法时，以未知流速度和涡度的粘性流体方程为问题。另外，1）使用边界涡度通量指示从边界表面产生涡度产生和吸收的现象，2）考虑与压力相关的自由表面条件下的涡度，3）考虑到在物体表面上边界涡流磁通显示的边界涡流范围时的流体压力梯度，并在物体表面上的旋转量和2）计算两层流体的旋转量，以确定两层的动态。结果，已经发现，从流体进入自由表面边界的涡旋处理和从物体表面上产生的涡旋的重新连接，对于被视为粒子方法的一部分的涡流很重要。此外，当使用二次元素来计算速度电位时，已经发现必须在对象的角点以及自由表面和对象表面的相交处引入双节点方法。关于该实验，在去年之后，我们使用振动水柱波生成发电器件的模型对常规波的主要转换效率进行了实验，该模型使用翼型式浮动类型进行了涡轮载荷量替换涡轮载荷。我们还对配备空气涡轮机配备的浮动后弯管浮标发电器件进行了定期的波浪实验，并测量了从波电源到空气动力和涡轮机功率的转换效率。我们还继续研究往复流脉冲涡轮机的性能，以发电。