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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。

In this study, the introduction of high-speed multipole method and GPU technology, the development of high-speed viscous fluid analysis method based on three-dimensional vortex method, the nonlinear nature of water surface, the generation of vortices on floating body surface, and the accurate consideration of viscous dispersion effects of vortices emitted in fluid, as well as the tracking of three-dimensional floating body motion and time, are discussed. This method is suitable for floating-type vibrating water column (OWC) wave power generation devices and floating-type wind power generation devices, and the optimal design of the devices is the final goal. In order to solve the problem of viscous fluid, the basic equation of velocity and vorticity, the boundary element method and the vorticity method are proposed. The free surface condition equation and the object surface condition equation are proposed. The vortex generation and absorption phenomenon in the boundary surface are expressed. The vorticity in the free surface condition is considered. 3. The calculation of fluid pressure and pressure in the vortex beam representation of the surface of the object is carried out in the calculation of two-dimensional fluid motion in the circle of the object. As a result, the particle method is related to vortices, vortices that invade from the boundary of the free surface in the fluid, and vortices that emerge from the surface of the object and the surface of the object are important to deal with. For example, the calculation of the velocity of the object, the intersection of the free surface and the object surface, the introduction of the two-fold node method, etc. The model of vibration water column type wave power generator is used to realize the first order conversion efficiency in regular waves. Measurement of the conversion efficiency of a regular wave power generator in the form of a floating wave power generator The performance of the reciprocating current impulse for power transmission is related to the operation of the power transmission system.