洋上ウィンドファームの発電量予測のための高性能CFDツールの開発

ウィンドファームの発電量評価には、各風車が形成するウェイクの相互干渉を正しく予測することが重要な課題である。本研究課題では、洋上ウィンドファームの発電量と風車ウェイク相互作用の予測精度向上を目的とし、高性能CFDツールの開発を進めている。ウィンドファームのCFDに一般的に用いられるアクチュエータディスクモデルではなく、より高精度にウェイクを計算可能なアクチュエータラインモデルを利用する。風車の各ブレードから発生する流れを計算可能なモデルであるが、より高解像度のメッシュが必要で計算コストが高いため、大規模計算に適した流体計算手法である格子ボルツマン法を用いる。2022年度では研究実施計画通り、主に①アクチュエータライン風車モデルの格子ボルツマン法への実装と精度検証、②大気乱流の流入境界条件の設定方法の検討と実装、③複数GPU並列コードの開発に取り組んだ。①：格子ボルツマン法とアクチュエータライン風車を組み合わせた解析コードを開発した。単基風車（Vestas 2MW風車およびNREL 5MW風車）に対して先行研究や実測値との比較による発電量、ブレード力、ウェイクの検証を実施し、開発手法が十分な精度で風車の発電量とウェイクを計算できることを確認した。②：洋上風の大気境界層の影響を考慮するため、NRELにより開発された乱流風生成ソフトウェアTurbSimを利用した流入境界条件の設定方法を開発した。大気境界層の条件が発電量と風車ウェイクに与える影響を、2基風車のシミュレーションで調査した。③：複数GPU並列化を行い、デンマークの洋上ウィンドファームHorns Rev 1に対するテスト計算を実施し、観測データと発電量を比較した。開発中のCFDツールで風向とウィンドファームの発電量の関係を概ね再現できることが確認した。

ウィンドファームの発電量評価には、各風車が形成するウェイクの相互干渉を正しく予測することが重要な課題である。本研究課題では、洋上ウィンドファームの発電量と風車ウェイク相互作用の予測精度向上を目的とし、高性能CFDツールの開発を進めている。ウィンドファームのCFDに一般的に用いられるアクチュエータディスクモデルではなく、より高精度にウェイクを計算可能なアクチュエータラインモデルを利用する。風車の各ブレードから発生する流れを計算可能なモデルであるが、より高解像度のメッシュが必要で計算コストが高いため、大規模計算に適した流体計算手法である格子ボルツマン法を用いる。2022年度では研究実施計画通り、主に①アクチュエータライン風車モデルの格子ボルツマン法への実装と精度検証、②大気乱流の流入境界条件の設定方法の検討と実装、③複数GPU並列コードの開発に取り組んだ。①：格子ボルツマン法とアクチュエータライン風車を組み合わせた解析コードを開発した。単基風車（Vestas 2MW風車およびNREL 5MW風車）に対して先行研究や実測値との比較による発電量、ブレード力、ウェイクの検証を実施し、開発手法が十分な精度で風車の発電量とウェイクを計算できることを確認した。②：洋上風の大気境界層の影響を考慮するため、NRELにより開発された乱流風生成ソフトウェアTurbSimを利用した流入境界条件の設定方法を開発した。大気境界層の条件が発電量と風車ウェイクに与える影響を、2基風車のシミュレーションで調査した。③：複数GPU並列化を行い、デンマークの洋上ウィンドファームHorns Rev 1に対するテスト計算を実施し、観測データと発電量を比較した。開発中のCFDツールで風向とウィンドファームの発電量の関係を概ね再現できることが確認した。