報告書番号

SS24006

タイトル（和文）

非定常風況解析のための流入乱流生成法（その2）－平均速度と乱流応力の制御－

タイトル（英文）

An inflow turbulence generation method for unsteady wind simulations (Part 2) - Control of mean velocity and turbulent stress -

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
数値流体力学の発達や計算機性能の向上に伴い，乱流解析手法の一つであるラージエディシミュレーション（LES）は，電力流通・発電設備を含むインフラ等への気流・物質拡散影響を評価するための有用なツールになっている．しかし，LESの流入側境界条件として必要となる非定常速度を適切に与える手法（流入乱流生成法）は十分確立されておらず，流れの物理法則を満たしつつ，気象場や地表状態に応じて変化しうる流動性状をパラメータとして与える手法の確立が望まれている．当所では，乱流を生成するためのリニアフォーシング 注1）と平均速度を風洞実験等で得られる所定のターゲットに一致させるPID制御 注2）とを併用した方法の開発を進めてきたが[1]，乱流応力 注3）に代表される乱流性状を所定の値に定めることができず，実地形上気流のLESへの適用等に課題を残していた．

目　　的
流れの物理法則を満たしつつ，平均速度と乱流応力の双方を所定の値に定める流入乱流生成法を提案するとともに，生成された乱流の統計量等からその適用性を評価する．

主な成果
1. 平均速度と乱流応力を制御する流入乱流生成法の提案
リニアフォーシングとPID制御アルゴリズムを基本とし，平均速度と乱流応力の制御のための2つの外力を付与した流体の運動方程式に基づくLESの実行により，流入乱流条件を生成する手法を考案した．物理法則を満足するLESを利用しつつ，平均速度と乱流応力を所定の分布に定められることを把握した．

2. 提案手法の適用性評価
本手法により得られる非定常速度の統計量から，制御を行った乱流応力以外の乱流性状（周波数特性等）も，ターゲットとする気流のものに近づけられることを明らかにした．また，風洞実験 注4)と同様に障害物を計算領域内に配置することにより生成した流入乱流と，それと整合するように本手法により生成した流入乱流の2つの条件の下で，実地形上気流のLESを実施した．その結果，両計算における平均速度・乱流強度 注5)の差異は，上空（高度450m）の風速に対しておおよそ5％未満であった．このことから，本手法は，実地形上気流の評価においても流入乱流生成法に起因する差異を低いレベルに留められることを確認できた．

今後の展開
本手法の広範な適用性を把握しつつ，電力設備の耐風設計等に求められる突風を含む気流評価への活用を進める．

注1）流動場に乱流を持続させるためのエネルギーを注入することで，統計的に定常な乱流場を生成する手法のひとつ．
注2）Proportional–integral–derivative controllerの略．フィードバック制御の一種．出力値と目標値との偏差，その積分，およびその微分の3つの要素によって，入力値の制御を行う．
注3）流体の非定常運動（乱流）に伴い生じる応力．流体の運動量方程式の平均化操作から得られる乱流成分．
注4）風洞実験では測定エリアの風上側に長い助走路を設け，発達した乱流境界層を得るためのフェンスやスパイア等を風洞床面に配置することによって，想定した乱流を作成している．
注5）乱流応力（垂直応力成分）の平方根に相当．

関連報告書：
[1]N14011「非定常風況解析のための流入乱流生成法（その1）－乱流長さスケールを調整できるリニアフォーシングの提案－」（2015.03）

概要 （英文）

An inflow turbulence generation method is proposed in which both mean velocities and turbulent stresses are set to predetermined values while satisfying the physical laws of flow. The method is based on a linear forcing and PID (proportional-integral-differential) control algorithm and generates inlet turbulence conditions by performing LES (large eddy simulation) based on the equation of motion of the fluid with two external forces to control the mean velocities and turbulent stress. It was found that the method can set the mean velocities and turbulent stresses to specified distributions, and that the turbulence characteristics, such as the power spectra of velocity fluctuations that are not subject to control, can be made close to those of the target airflow. The LES of the airflow over the actual terrain was performed under two conditions: the inflow turbulence generated by placing obstacles in the computational domain, and the inflow turbulence generated by the present method to match the turbulence generated by the obstacle placement. The results showed that the differences in mean speed and turbulence intensity between the two calculations were approximately less than 5%. These results confirm that the present method generally reproduces the target inflow turbulence characteristics, and that the differences due to the inflow turbulence generation method remain small in the evaluation of airflow over the actual terrain.

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