2001年3月28日京都大学防災研究所ＬＥＳを用いた局地的風況予測モデルの開発 ○内田孝紀，大屋裕二（九州大学応用力学研究所）本研究の背景（１）日本の地勢を概観すると，欧米とは著しく異なり，多様性に富む複雑地形がほとんどである．日本国内において，１）風力発電の適地選定（風力エネルギーの利用）２）立地後の日々の発電予測（強い風⇒風車稼動，弱い風⇒風車停止）などを考えた場合，地形起伏の影響を受けた風況特性を把握することが極めて重要となる．本研究の背景（２）欧米で汎用的に使用されている線形数値モデル（Jackson-Huntモデル，Mass-Consistentモデルなど）国内の局所風況予測に適用した場合， ⇒その予測精度は著しく低下する．（原因）流れの剥離を伴わない比較的なだらかな地形を対象にしているから．本研究の背景（３）日本の地勢に適した，すなわち，急峻な地形起伏に起因して生じる剥離流や，あるいはその周辺の風況変化を高精度に予測できる局地的風況予測モデルの確立が強く期待されている．このような社会的，工学的要請があるにも関わらず，十分な予測精度を有する数値モデルは未だ確立されておらず，各方面で精力的な研究が行われている．本研究の目的差分法(FDM：Finite-Difference Method)を用いて，数百m～数十km程度の空間スケールを対象にした局地的風況予測モデルの開発を行う． RIAM-COMPACT ◎局所的な風の増速域の推定 ◎増速率の把握 ◎強風発生のメカニズム解明 Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Computational Prediction of Airflow over Complex Terrain ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの特徴（１）～２種類の計算格子を適宜選択可能直交座標系一般曲線座標系＋＋ CPU時間はほぼ同じスタガード格子コロケート格子ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの特徴（２）～ＬＥＳにより非定常乱流場の計算粗視化 (coarse graining) グリッドスケール(GS)⇒直接解く乱流場大小様々な渦の流れサブグリッドスケール(SGS) ⇒モデル化するＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの特徴（２）～ＬＥＳの支配方程式  ij  i 3  ui  ui p 1  2 ui  uj     t x j xi Re x jx j x j Fr 2 ui 0 xi h j   1 2   uj   w t x j Re Pr x jx j x j dθB/dz=1 ブシネスク近似スマゴリンスキーモデル b g 2 SGS  Csfs S d i S  2SijSij 1/ 2 hj   SGS   PrSGS x j e j fs  1  exp  z / 25 d i u I 1F u  G  J 2H x x K   hxhyhz Sij 1/ 3 i j j i ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの特徴（３）～ネスティング手法の導入広域(Grid 1)から注目する局所域(Grid 2)まで多段階で効率良く計算することが可能 Grid 1 Grid 2 Flow one way nesting ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの数値計算法 CodeⅠ CodeⅡ Coordinate system Orthogonal coordinate Generalized curvilinear coordinate Variable arrangement Staggered arrangement Collocated arrangement Discretization method Finite-difference method (FDM) Coupling algorithm Fractional step method Time advancement method Euler explicit method Poisson equation for pressure Successive over relaxation (SOR) method Convective terms 3rd-order upwind scheme based on an interpolation method (α=0.5) Other spatial derivative terms 2nd-order central scheme SGS model Smagorinsky model ＋ Wall damping function ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの計算精度の検証～壁面せん断乱流場壁面せん断乱流場のＬＥＳを行い，ＤＮＳデータベースとの比較を行う． ◎レイノルズ数：Reτ(=uτδ/ν)=180 ◎計算領域：2πδ(x)×πδ(y)×δ(z) 但し，zが鉛直方向を示す ◎格子点数：129(x)×129(y)×65(z)点 ◎速度の境界条件：主流方向(x)と主流直交方向(y)は周期境界条件，上部境界は滑り条件，地表面は粘着条件 z ◎スマゴリンスキー定数：CS=0.1 ◎無次元時間刻み：Δt=1×10-4 δ x 2πδ 壁面せん断乱流場の流れの可視化 (瞬間場，Rear view，Reτ=180) スタガード格子コロケート格子 δ z y πδ 流れはこちらへ壁面せん断乱流場の乱流統計量 3 20 Staggered grid Col located grid DNS (Kawamura) urms 15 2 10 Staggered gri d Col located grid DNS (Kawamura) 5 0 1 10 100 平均速度分布 vrms 1 w rms 0 0 10 20 30 40 50 60 70 乱流強度分布 80 ＲＩＡＭ－ＣＯＭＰＡＣＴの計算精度の検証～孤立地形周りの安定成層流一様近寄り流速に対する流れの増速率とその発生場所を精度良く予測できるかどうかに注目する． ◎レイノルズ数：Re(=Uh/ν)=3000 ◎フルード数：Fr(=U/Nh)=∞(中立成層流)，1，0.5，0.1（安定成層流） ◎格子点数：221(x)×121(y)×81(z)点，Δzmin=2×10-3h ◎地形の断面形状：z(x, y)=cos2(π(x2 + y2) 1/2 /2L) 但し，L=2.5 ◎速度の境界条件：流入境界は一様流入条件，側面と上部境界は滑り条件，流出境界は対流型流出条件，地表面は粘着条件 ◎モデル定数：CS=0.1, PrSGS=0.5 孤立地形の周辺風況場，コロケート格子 (瞬間場，Re=3000，Fr=∞，1，0.5，0.1) Fr=∞ (中立成層流) Fr=1 (安定成層流) Fr=0.5 (安定成層流) Fr=0.1 (安定成層流) 流線主流方向の速度成分実地形上の風況場予測(中立成層流) ～九州大学新キャンパス移転地周辺志賀島糸島半島能古島海の中道九州大学箱崎地区博多湾福岡市九州大学六本松地区福岡平野九州大学筑紫地区広域地形の風況シミュレーション～移転地に対する火山と可也山の影響移転地計算パラメータの設定，コロケート格子 ◎実地形の形状：国土地理院の数値地図データ (50mメッシュ) ◎格子点数：196(x)×157(y)×81(z)点水平方向は等間隔(Δx=Δy=50m，すなわち， Δx=Δy=0.14h) 鉛直方向は不等間隔(Δz=1.78～178m ，すなわち， Δz=5×10-3h～0.5h) ◎レイノルズ数：Re(=U∞h/ν)=2.5×104 可也山(365m)を高さhとし，流入境界面での高さhにおける風速U∞に基づく ◎速度の境界条件： U∞=5 (m/s)とすると流入境界は一様流，側面と上部境界は滑り条件， Δt=0.073 (sec) 流出境界は対流型流出条件，地表面は粘着条件 T=100h/U では ∞ Time ＝7300 (sec) ◎無次元時間刻み：Δt=1×10-3 ≒ 2 (hour) ◎スマゴリンスキー定数：CS=0.1 計算結果と考察（１）～時間平均流(水平断面) z*=60m z*=100m キャンパス移転地に対して，可也山に起因した乱れの影響はほとんどない．計算結果と考察（２）～乱流統計量の鉛直分布地表面からの高さ z* (m) 600 600 P Q R S 500 500 400 300 P Q R S 400 速度欠損 ⇒火山後流の影響 300 乱れの極大値 200 200 100 増100 速 0 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 平均速度（<u>/U∞） 0 0 0.05 0.1 0.15 乱れ強さ（σu）火山の頂部 0.2 ネストグリッドを用いた風況シミュレーション～キャンパス移転地の高解像度計算 (水平分解能50m) (水平分解能25m) 移転地計算結果と考察（１），Grid 2 ～移転地周辺の時間平均流(水平断面) 石ヶ岳 z*=20m 石ヶ岳 z*=60m 火山と可也山の谷部下流域にあたる石ヶ岳山頂付近において，一様流入速度に対して約20パーセントの増速が確認される．計算結果と考察（２）～平均速度の鉛直分布地表面からの高さ z* (m) 600 600 P Q R S 500 P R 400 400 300 300 200 200 100 100 0 -0.2 0 Q 500 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Grid 1(50m分解能) S 0 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Grid 2(25m分解能) 計算結果と考察（３）～乱れ強さの鉛直分布地表面からの高さ z* (m) 600 600 P Q R S 500 500 S 400 400 300 300 200 200 100 100 0 P Q R 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Grid 1(50m分解能) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Grid 2(25m分解能) 計算結果と考察（４）～キャンパス移転地周辺の風況特性乱れ大 ⇒火山の後流域西の風乱れ小 ⇒火山と可也山の谷部 1)Bird’s-eye view 2)Top view 石ヶ岳山頂付近：一様流入速度に対して約20パーセントの増速風洞実験による計算結果の検証 ◎1/5000の地形模型を大型風洞内（幅3.6m×高さ2.0m×長さ15m）に設置 ◎地形への流入風：一様流（計算と同じ状況を再現，325mm持ち上げる） ◎可也山（365m）を基準高さとしたレイノルズ数： Re=1.6×104 ◎ I 型熱線風速計による気流特性の計測（風の増速域や増速率など） ◎スモークワイヤー法による流れの可視化一様流 3m/s 移転地 4500 地形模型（単位：mm）地球大気動態シミュレーション装置 (大型境界層風洞) 測定胴全体図単回路回流式風速：0.5～30[m/s] 測定胴：3.6[m]幅 ×2.0[m]高 ×15[m]長風洞実験の様子測定胴内に設置した 1/5000の地形模型* キャンパス移転地周辺 *地形模型は九州大学新キャンパス推進室所有数値計算と風洞実験の比較～平均速度の鉛直分布 600 地表面からの高さ z* (m) 600 P Q R 500 P Q R S 500 S 400 400 速度欠損速度欠損 300 300 有意な差異 200 200 100 100 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 風洞実験 1 1.2 0 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 数値計算 1 1.2 スモークワイヤー法による流れの可視化 Flow 火山の頂部を過ぎる流れ火山と可也山の谷部を過ぎる流れまとめ数百m～数十km程度の小規模から中規模な空間スケールを対象にした局地的風況予測モデル (RIAM-COMPACT)の特徴を示し，計算コードの検証を行った．次に，九州大学新キャンパス移転地周辺の風況場予測を行った．また平行して風洞実験を行い，計算コードの有効性および計算結果の妥当性を検証した．今後の課題１)地面境界条件の精緻化２)実際の流入気流が有する速度勾配と乱れ効果の再現３)大気成層乱流に適したSGSモデルの改良４)RIAM-COMPACTにおける境界条件を適切に設定するための，広域スケールを対象にした地域気象モデル (CSU-RAMS)との接続法の開発５)局所風況観測網(NeWMeK)を利用した局所風況予測地域気象モデル(CSU-RAMS)との接続～広域な気象場を反映した局所風況予測 CSU-RAMS (Grid 2) RIAM-COMPACT への接続(境界条件) CSU-RAMS(Grid 1) ECMWF(ヨーロッパ中期予報センター) の客観解析気象データをナッジング RIAM-COMPACTによる局所風況予局所風況観測網(NeWMeK)との接続～局所域の気象観測データを利用した風況予測 RIAM-COMPACT への接続(境界条件) NeWMeK site NeWMeK風速分布図 NeWMeK (Network for Wind Mesurement of Kyushu) 九州広域高密度風観測システム RIAM-COMPACTによる局所風況予測