STAR-CCM+による小型垂直軸風車の特性解析

Performance Analysis of Small Vertical Axis Wind Turbines by STAR-CCM+

STAR Japanese Conference 2015 (横浜ロイヤルパークホテル 2015.6.2-3)

鳥取大学大学院 工学研究科 機械宇宙工学専攻

原 豊 (准教授)

プレゼン内容

• 背景1と研究目的 1

• 傾斜した直線翼垂直軸風車のシミュレーション

• まとめ 1

• 背景2と研究目的 2

• 円形翼バタフライ風車のシミュレーション

• まとめ 22

< 事例：１ >

< 事例：2 >

傾斜した直線翼垂直軸風車のシミュレーション

事例 : 1

背景１

FAWT ： Floating Axis Wind Turbine

Proposed by Dr. Akimoto (2011)

浮動軸型浮体式洋上風力発電

建物環境に設置された小型風車

（吹上げ風の中での回転）

研究目的１

風に対して回転軸が斜めになった状態の垂直軸風車まわりの流れ場と

風車特性の関係を明らかにする。

方法： STAR-CCM+ を用いた3次元数値解析

計算対象H型ダリウス風車

(DU-H2-5075 / TU Delft)

item value

Rotor Diameter：D 0.75m

Blade Span：H 0.5m

Chord Length：c 0.08m

Blade Attachment 25%c (Exp: 40%c)

Pitch Angle 0 deg.

Blade Section NACA 0018

item value

Wind Speed：U 7m/s

Tip Speed Ratio：λ 2.75 ～ 3.5

Tilt Angle：ζ 0°, 10°, 25°, 40°

Reynolds Number：Reb 1.1×105

計算条件

計算方法

ソフトウェア ： STAR-CCM+ ver.7.4.011

レイノルズ平均ナビエ-ストークス方程式 (RANS)

3次元

非定常

非圧縮

粘性流体

乱流モデル ： SST k-ω

時間進行 ： 2次精度

7

計算領域と境界条件

8

流入境界速度一定

U = 7 m/s

流出境界圧力一定P = 0 Pa

側面スリップ条件

風車ロータまわりの領域

9

単位時間ステップで回転領域を 0.5°回転

赤道面における計算格子

非構造格子のポリヘドラル・メッシュ

プリズム・レイヤー・メッシュ(20 層)

最小格子サイズ: 翼弦長cの 1.4×10-5 倍

( y+ = 0.2 )

総セル数: 6,038,000

10

傾斜角 ： ζ = 0°先端周速比 ： λ = 3

渦度の大きさの等値面 (80 s-1)

渦度の大きさの等値面 (80 s-1)

傾斜角 ： ζ = 10°先端周速比 ： λ = 3

渦度の大きさの等値面 (80 s-1)

傾斜角 ： ζ = 25°先端周速比 ： λ = 3

渦度の大きさの等値面 (80 s-1)

傾斜角 ： ζ = 40°先端周速比 ： λ = 3

出力係数についての3D-CFDと実験値(デルフト工大)との比較

Experimental data：van Bussel, G., Mertens, S., Polinder, H., Sidler, H., TURBY®:Concept and Realisation of a Small VAWT for the Built Environment, Proc. EAWE/EWEA Special Topic Conference “The Science of Making Torque from Wind,” Delft, Netherlands, 2004, ISBN 90-764768-10-9, pp.509-516.

2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.750

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

λ

Cp

0°(Exp.)

10°(Exp.)

25°(Exp.)

0°(CFD)

10°(CFD)

25°(CFD)

40°(Exp.)

40°(CFD)

15

CFDで算出された出力増加比(λ=3.25)と風車投影面積の比較

Analysis of variation in projected area：Ferreira, C., van Bussel, G., van Kuik, G., An Analytical Method to Predict the Variation in Performance of a H-Darrieus in Skewed Flow and its Experimental Validation, Proc. European Wind Energy Conference 2006, Athens, 2006.

16

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Aproj/Aproj(ζ=0)

P/P(ζ=0)

ζ

Apro

j/A

pro

j(ζ

=0),

P

/P(ζ

=0)

33.7°

１つの翼に作用する回転トルクの方位角依存性と傾斜角依存性(λ=3.25)

( ζ = 25°) 17

まとめ１

(1) 翼端渦は、主に上流側で発生し、ロータ直径の距離程度は高い渦度を維持して対流する．

(2) 傾斜角が大きくなるとロータ内部に上昇流が発生する．

(3) 動的失速(Dynamic Stall)に伴う渦放出は、翼スパンの中央部で観測された．

(4) 傾斜角の増加に伴う出力の増減は、風車ロータの投影面積の変化と同じ傾向を示した．

18

円形翼バタフライ風車のシミュレーション

事例 : 2

背景２

小型風力発電 ⇒ 大型風車に比べて設置における制約は少ない

独立分散型電源・系統連系されたクリーンなエネルギー源として様々な応用が期待される．

現状：導入コストが高い

バタフライ風車BWT: Butterfly Wind Turbine

☆ 垂直軸タイプ → 風向依存無し

☆ アームレス → 部品点数低減 (低コスト化)

☆ 翼端無し → 騒音低減

アルミ円形翼バタフライ風車ACBBWT：Aluminum Circular-Blade Butterfly Wind Turbine

Rotor radius, R 1.03 m

Rotor height, H 0.8 m

Chord length, c 0.183 m

Blade section NACA 0018

Swept area, A 1.51 m2

Weight of a blade 5.8 kg

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

λη

Exp.(V=5.7m/s)

Exp.(V=7.0m/s)

Exp.(V=8.4m/s)

Exp.(V=9.3m/s)

BEM(V=5.7m/s)

BEM(V=7.0m/s)

BEM(V=8.4m/s)

BEM(V=9.3m/s)

参考： 原 豊，塩崎明，西小野寛明，斎藤栄徳，塩谷啓介，古郷昇平，高垣雄大，日本風力エネルギー学会誌，Vol. 38, No.1, (2014), pp. 16-21.

屋外実験の結果

研究目的２

＊ 数値流体力学(CFD)解析により、

屋外実験結果の妥当性を明らかにする．

＊ 回転する円形翼まわりの複雑な流れ場の解析．

計算モデル

ロータ直径：D = 2 m

ロータ高さ：H = 0.8 m

翼弦長：c = 0.183 m

翼型：NACA 0018

翼数：４枚

計算方法

ソフトウェア ： STAR-CCM+ ver.8.04

レイノルズ平均ナビエ-ストークス方程式 (RANS)

3次元

非定常

非圧縮

粘性流体

乱流モデル ： SST k-ω

時間進行 ： 2次精度

計算領域と境界条件

流入境界速度一定

V = 7 m/s

流出境界圧力一定P = 0 Pa

側面スリップ条件

風車ロータまわりの領域

単位時間ステップで回転領域を 0.5°回転

計算格子

水平断面(赤道面)

鉛直断面

翼まわり

大部分：ポリヘドラル・メッシュ

翼面近傍：プリズム・レイヤー・メッシュ

15層，最小格子幅 1.4×10-5 c

(y+ = 0.3)

総セル数：約 16,000,000

計算条件

風 速 ： 7 m/s

先端周速比 ： λ = 1.5, 2, 2.5, 3

(毎分回転数： N = 100, 134, 167, 200 rpm)

ロータ・レイノルズ数：Re = 9.3×105

ブレード・レイノルズ数：Reb = 1.3×105 ～ 2.6×105

渦度の大きさの等値面 (60 s-1)

風速 ： V = 7 m/s先端周速比 ： λ = 3

風速 ： V = 7 m/s先端周速比 ： λ = 2.5

渦度の大きさの等値面 (60 s-1)

風速 ： V = 7 m/s先端周速比 ： λ = 2

渦度の大きさの等値面 (60 s-1)

風速 ： V = 7 m/s先端周速比 ： λ = 1.5

渦度の大きさの等値面 (60 s-1)

１つの翼に作用する回転トルク

１つの翼のトルク変化 ４つの翼の合成トルク変化

方位角(アジマス)の定義

実験とCFDの比較（風速：7 m/s）

発電機やAC-DCコンバータ等における損失を考慮し全変換効率を0.8と仮定して、CFDの結果を補正．

まとめ２

(1) 全変換効率を0.8と仮定したCFD解析は屋外実験結果と良好な一致を示した．

(2) ACBBWTの翼は円形状で閉じているが，翼端渦に相当する渦放出が観測された．しかし，その渦度は直線翼風車に比べて小さく、分布は扁平的．

(3) 先端周速比が小さい場合は，動的失速(Dynamic Stall)に伴う渦放出が上流側と下流側の両方で観測された．

参考文献事例：１(1) 水口奨，原 豊，住隆博，秋元博路，田中謙司，川村隆文，中村拓樹, 3次元CFDによる傾斜した

垂直軸風車の流れ場解析, 日本機械学会中国四国支部第52期総会・講演会(鳥取大学，2014.3.7),

No.909, (2014).

(2) Yutaka Hara, Takahiro Sumi, Sho Mizuguchi, Hiromichi Akimoto, Kenji Tanaka, Takafumi Kawamura,

Takuju Nakamura, 3D-CFD Analysis of Flow Fields around a VAWT with an Inclined Rotational Axis,

Grand Renewable Energy 2014 International Conference and Exhibition, July 27-August 1, 2014,

Tokyo Big Sight, Tokyo, Japan, O-Wd-15-3, (2014).

事例：２(3) 原 豊，塩崎明，西小野寛明，斎藤栄徳，塩谷啓介，古郷昇平，高垣雄大, アルミ円形翼バタフライ風車の実証実験と性能予測, 日本風力エネルギー学会論文集, Vol.38, No.1, (通巻109), pp.16-21,

(2014).

(4) Yutaka Hara, Akira Shiozaki, Hiroaki Nishiono, Shigenori Saito, Keisuke Shioya, Katsuhiro Takagaki,

Shohei Kogo, Development of Butterfly Wind Turbine with Aluminium Circular Blades, Grand

Renewable Energy 2014 International Conference and Exhibition, July 27-August 1, 2014,

Tokyo Big Sight, Tokyo, Japan, P-Wd-2-32, (2014).

(5) 原 豊, 住隆博, 松原雄平, 安本善征, 円形翼バタフライ風車の数値シミュレーションの試み,

日本機械学会流体工学部門講演会(富山大学, 2014.10.25-26), No.0721, (2014).

(6) Yutaka Hara, Takahiro Sumi, Yuhei Matsubara, Yoshiyuki Yasumoto, Numerical Simulation of Flow

Field around A Circular-Bladed Butterfly Wind Turbine, Proceedings of the ASME-JSME-KSME

Joint Fluids Engineering Conference 2015, July 26-31, 2015, SEOUL, KOREA,

Paper No.: AJK2015-22038, (2015). (発表予定)

謝 辞

事例：１

• 高橋産業経済研究財団

事例：２ (実験を含めて)

• 鳥取県環境学術研究等振興事業費補助金• 鳥取大学・学長経費• JST A-STEP（探索タイプ）• JSPS 科研費 23561031• 鳥取大学と鳥取県との共同研究

「鳥取沿岸の砂浜海岸復元・港内堆砂抑制に向けた新技術・新工法の分析・評価に関する共同研究」

本講演で紹介した事例の研究については、以下の助成金や共同研究費から、補助を頂いています。ここに明記し、謝意を表します。