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風レンズ風車の革新的最適空力設計法の創出とその適用によるベッツ限界への挑戦

为风透镜风力涡轮机创建创新的最佳空气动力学设计方法，并应用它来挑战贝茨极限

基本信息

批准号：
15J00212
负责人：
岡信仁
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

風レンズ風車では，ディフューザとつばを組み合わせた風レンズ（集風体）を翼車周りに装着することにより高い集風効果が得られる．本研究では，風レンズ風車に適用可能な革新的最適空力設計法を創出することにより，ベッツ限界（風車の理論効率の限界）を超越した高性能風車の実現を目的とする．まず，「風レンズ風車翼車の空力設計法」と「多目的最適化手法」を組み合わせることにより，風レンズと翼車の両者を同時に連成最適設計可能な「風レンズ風車の多目的最適空力設計法」を構築した．本最適化は，翼の空力負荷分布および風レンズ形状を設計変数とし，翼車の出力係数および風レンズの集風効果係数を評価関数として，最適設計を実施した．本最適空力設計によって得られたパレート最適解の代表ケースについて三次元定常RANS解析を行い，最も性能が優れていた風レンズ風車を試作して，九州大学応用力学研究所の大型風洞により性能試験を実施した．その結果，最適設計された風レンズ風車はベッツ限界を超越する性能を発揮できることを世界で初めて示し，本空力設計法の妥当性が検証できた．また，その流れ場と性能の関係について明らかにした．本空力設計手法は，これまでのターボ機械の空力設計手法では考慮できなかった翼車周りにあるケーシングやハブなどの子午面形状やその子午面形状に起因するはく離や渦などを考慮して設計できる事が大きな特徴である．そこで，本空力設計法を下流領域の流れ場に大きなはく離が発生する半開放形軸流ファンおよび端面境界層が発達する遠心圧縮機へと適用した．本空力設計手法の適用により，これまでの設計法では考慮できなかった翼車領域の速度分布や吐き出し損失，吸込み損失を考慮した翼車の設計が可能になることを確認した．また，翼車の空力負荷分布を調整する事により，流れ場および空力性能の改善に取り組み，対象としたターボ機械の高性能化を実現した．

Wind レンズ windmill では, ディフューザとつばを group み close わせた wind レンズ (set) wind を wing car weeks りに containing することにより high い set unseen wind fruit がられる. This study では, wind レンズ windmills may なに apply innovative を optimal aerodynamic design method makes することにより, ベッツ threshold (windmill の theory working rate の limit) を beyond した high-performance windmill の purpose be presently をとする. まず, "wind レンズ windmill wing car の aerodynamic design method" と group "more objective optimization technique" をみ close わせることにより, wind レンズとの wing car struck the をに connect at the same time the optimal design can な "wind レンズ windmill の multiobjective optimal aerodynamic design method" を build した. This optimization は, wing の aerodynamic load distribution および wind レンズ shape を design - several とし, wing car の efficiency coefficient および wind レンズの set the coefficient unseen fruit を review 価 masato number として, optimum design を be applied した. This optimal aerodynamic design によって have られたパレートの represent the optimum solution ケースについて three dimensional steady RANS parsing をい, most もが optimal performance れていた wind レンズ windmill を attempt して, kyushu university 応 with mechanics institute の large wind tunnel により performance test を be applied した. その as a result, the optimum design された wind レンズ windmill はベッツ limit を beyond する performance を発 swing できることをめ the early でてし, the aerodynamic design method の justice が検 card できた. また, そのとれ field performance の masato is について Ming らかにした. This aerodynamic design gimmick は, これまでのターボ mechanical の aerodynamic design gimmick では consider できなかった wing car weeks りにあるケーシングやハブなどの meridian plane shape やその meridian plane shape に cause するはく from や vortex などを consider して design できがる things big きな, 徴である. そこで, the aerodynamic design method を mean field のれ field に big きなはく from が発 raw する half open type axial ファンおよび face boundary layer が発 da する telecentric 圧 shrink machine へと applicable した. The aerodynamic design gimmick の is により, これまでの design method では consider できなかったの wing car field velocity distribution や emits きし losses, suction 込をみ loss considering した wing car design がの may になることを confirm した. また, wing car のを aerodynamic loading distribution adjustment する matter により, れ field およびの improve aerodynamic performance にみり group, like と seaborne したターボ high mechanical の performance-based を be presently した.