Division of Renewable Energy Dynamics 新エネルギー力学部門は、地球環境とエネルギー生産の調和可能性を 示唆する新時代に向けて、化石燃料の代替エネルギーとなる各種のクリー ンで再生可能なエネルギー、例えば、風力エネルギー、太陽光エネルギー、 海洋エネルギーの効率的な取得のための研究開発を行う。そのため、自 然エネルギーの力学現象、エネルギー変換の基本物理過程を研究し、応 用機器として様々な新エネルギー機器を開発していく。また、これらの 独立分散型エネルギーを一つの供給受給システムとしてまとめ、効率的 生産と低エネルギー消費を図るいわゆるスマートグリッド化の研究に も着手する。このために下記の五つの研究分野を構成する。 新エネルギー力学部門 Division of Renewable Energy Dynamics Division of Renewable Energy Dynamics 風工学 Wind Engineering 実験設備 Ex perimental Facilities For the application of an effective energy resource in the future, the limitation of fossil fuels is clear and the security of alternative energy sources is an important subject. Furthermore, as concerns for environmental issues, the development and application of renewable and clean new energy are strongly expected. Among others, wind energy, solar energy and ocean energy technologies are about to play a big role in a new energy field. The objective of this division is to clarify the dynamical processes in efficient wind energy utilization, efficient solar energy absorption and ocean energy utilization and to develop new energy devices based on the dynamics. We have five sections, whose activities are as follows, and a large part of us is involved in a research project on the new generation energy project of Kyushu University. 結晶成長学 Crystal Growth Dynamics 風力エネルギーの有効利用と風環境予測 機能性材料の結晶成長ダイナミクスに関する研究 Research on wind energy utilization and wind system prediction Research on crystal growth dynamics of functional materials 風 工学分野では、地表に近い大気の 風の動き、乱流の輸送拡散現象の 基本過程を調べ、大気環境の調和と保全、 ならびに風力エネルギーの有効利用に 関する研究を行っている。また、風レン ズ技術と呼ぶ新しい風力発電システム を用いて小型風車から洋上大型風車の 研究開発を行っている。市街地や複雑地 形の風況パターンについて検討し、周辺 風環境、強風災害対策などを包含した風 環境予測法の確立を目指している。主な 研究テーマは、 １)大気境界層の構造と風の流れ、 ２)風環境予測法の確立、 ３)風力エネルギーの有効利用、などで ある。これらの目的のために大型境界層 風洞、温度成層風洞などを用いた流体実 験と数値シミュレーションを行っている。 ind Engineering Section is currently pursuing the following three research subjects. 結 1) For the wind energy utilization, we have been developing a highly efficient wind turbine called wind-lens turbine and a numerical cord for a local wind system prediction called RIAM-COMPACT (R-C), both of which are highly evaluated in the wind engineering. ルギー、そして省エネルギーに関する電 W 晶成長学分野では、高機能性半導 体の結晶成長や数値シミュレー ションをキーワードとして、環境、エネ 子デバイスや光デバイス用結晶の成長 に関わる研究を行っています。特に“マ クロからミクロまで”をスローガンとし て、原子レベルの現象と連続体としての 大型境界層風洞 Boundary Layer Wind Tunnel 2) Using R-C, the wind pattern and atmospheric dispersion over local topographic features are predicted with high accuracy. 現象の相関および連成問題についての 研究を行っています。本研究成果をもと に、環境・エネルギー問題の解決策に繋 がる結晶成長法の提案を行っています。 rystal Growth Dynamics Section is studying the growth dynamics and mechanism of materials such as Si, SiC, graphene and Ⅲ-Nitrides. We investigate how silicon single crystals for LSIs and solar cells grow through large scale numerical modeling. The Crystal Growth laboratory focuses on both the MACROSCOPIC phenomena using continuum theory and the MICROSCOPIC phenomena using molecular dynamics, ab initio calculations and Monte Carlo simulation. We also investigate process of PVT (Physical vapor deposition) growth of SiC. C 3) For the atmospheric boundary layer with various stability conditions, the turbulence structure and transport characteristics are clarified using a thermally stratified wind tunnel and numerical simulation. Wind Engineering Section 1) Turbulence and flow structure of the atmospheric boundary layer 2) Prediction of wind systems over local topography 温度成層風洞 Thermally-Stratified Wind Tunnel 図 (a)昇華法によるSiC成長炉と10、20、30時間成長したSiC結晶中の温度分布(b)および応力分布(c)。結晶中の応力の解 析により線上欠陥（転位）密度の分布を解析することができる。 Fig. (a) SiC growth furnace by sublimation method. (b) and (c) are temperature and stress distribution in the grown crystal, respectively. By analyzing the stress distribution, we can discuss the dislocation density distribution. Internal gravity wave and rotors 大気中に現れる重力波とローター 3) Wind energy utilization Wind simulation around urban area by using the RIAM-COMPACT リアム・コンパクトを用いた市街地周辺の風況解析 New wind turbine with wind-lens technology 風レンズ技術を用いた新しい風力発電システム 04 AlN溶液成長炉 Furnace for AlN growth using Li-Al-N solvent 図 第一原理計算に基づく解析により解明された準安定立方晶GaNのMBE（分子線エピタキシー） 成長プロセス。 Fig. Growth process of meta-stable cubic GaN by MBE (Molecular Beam Epitaxy). This result was obtained by firstprinciples calculation based approach. RESEARCH INSTITUTE FOR APPLIED MECHANICS 2010 05 Division of Renewable Energy Dynamics Division of Renewable Energy Dynamics 新エネルギー システム工学 Renewable energy system engineering エネルギー変換工学 En ergy Conversion Engineering 海洋環境 Marine Environment and Energy Engineering エネルギー工学 再生可能エネルギーに拘わるシステム工学研究 自然エネルギーの効率的な変 換技術の開発 強非線形流体と構造物の相互作用 Current and comprehensive research in or on the renewable new energy system High-efficient conversion technologies of natur al power sources Strongly nonlinear fluid-structure interactions 新 エネルギーシステム工学分野では、 再生可能な新エネルギーシステ ムに関する幅広い研究を行う。当面の課 題として、応用力学研究所で開発中の風 レンズ風車の材料・構造問題、アダプティ ブブレードを含む高機能風車構造体の 開発、大型 CFRP 風車構造特性、風車の Offshore 展開に向けた材料構造様式の 研究があげられる。なお、平成23年度ま で東北大学歯学研究科および金属材料 研究所との生体高機能インターフェー スに関する大学間連携科学推進事業を 実施し、その後は、材料構造を超えた再 生可能エネルギーシステムに拘わる課 題にも取り組む。 enewable Energy System Engineering Section is related to the current and comprehensive research in or on the renewable new energy system. Its immediate targets are material and structural issues for a wind turbine with a brimmed shroud developed by RIAM, highly functionalized wind turbine structures including adaptive blades, characterization of large-sized CFRP wind turbine, and material and structural designs aiming at the offshore deployment of wind turbines. It also conducts the inter-university research project with IMR and Dental School of Tohoku University on intelligent biomaterials and interface until the end of 2011 academic year and will start new issues related to system integration besides materials and structures. R エ ネルギー変換工学分野では、各種 自然エネルギーを活用するため の効率的なエネルギー変換技術の開発 を行うことを目的とする。当面は、現在 未利用である高度域の風力エネルギー の摂取・変換・伝達の技術開発を進める。 また現在継続中の大学間連携プロジェ クト (2007-2011 年 )「 生体―バイオマ テリアル高機能インターフェイス科学 推進事業」 （東北大学大学院歯学研究科、 東北大学金属材料研究所との連携事業） に関連した生体材料と生体力学に関す る研究を行う。新規計画中および現在進 めている研究は下記のようなテーマで ある。 （１）自然エネルギーの効率的変換技術の 開発 （２） 高度域における未利用風力エネルギー 風車タワーの非線形 ダイナミックシミュレー ション Nonlinear dynamics simulation of a wind tower の摂取方法の開発 （３） エネルギーの高度域からの伝達方法 に関する研究 （４）生体吸収性複合材料の創製と力学特 性評価 （５）人工関節の力学挙動の解明 （６）歯科インプラントと生体骨の力学的相 互作用の解明 （７）人工歯根膜機能を有する新規インプ ラントの開発研究 （８）X線CTによるヒト生体歯周組織の変形 計測 （９）歯科生体材料の収縮変形に関する実 験解析 （10）咬合における歯周組織の変形挙動解 析 （11）生体用ポリマーブレンドの破壊メカニ CFRP/Al積層材ピンジョイントの非線形力学挙動断面像 Microscopic cross-sectional view of the nonlinear mechanical response of a CFRP/Al pin joint 06 個々の患者への適用を考慮した有歯下顎骨有限要素モデル A patient specific finite element model of mandible ズムの解明 nergy Conversion Engineering Section is aiming to develop the high-efficient conversion technologies of various natural power sources. For the time being, this section is planning to perform the technology development on unutilized wind power at high altitude, especially on the harvesting, converting and transporting technologies of the wind power. This section also studies biomaterials and biomechanics as they are related to the project (20072011) to promote a highly-functional interface science between the living body and biomaterials, as part of a joint project with the Tohoku University Graduate School of Dentistry and the Institute for Materials Research at Tohoku University. The newly planned and present research topics are: E (1) High-efficient conversion technology of various natural power sources (2) Harvesting technology of unutilized wind power at high altitude (3) Energy transportation method from high altitude (4) Deformation and fracture mechanism of bioabsorbable polymeric composites (5) Mechanics of artificial joints (6) Mechanical interaction between dental implants and mandibular bone 海 洋環境エネルギー工学分野では、 海洋エネルギー工学、海洋環境工 学に関わる複雑な形状をした構造物と 自由表面流体との相互作用について、流 体力学的な研究を行っている。具体的に は、自由表面流体と弾性構造体の連成解 析、及びマルチスケール・マルチフィジッ クスシミュレーションについて、新しい 計算流体力学手法の開発と応用に関す る研究、同時に関連する理論と実験によ る研究も行っている。主な研究テーマは、 （１）CIP法、MPS法に基づく流体・構造連 arine Environment and Energy Engineering Section is concerned with the study of complex flow phenomena associated with nonlinear interactions between free surfaces and floating bodies by means of numerical simulation, theoretical analysis and experiment. Recent research areas include: M (1) Development of numerical methods based on CIP or MPS for strongly nonlinear fluid-structure interactions; (2) Prediction and prevention of wave disaster; (3) Dynamics of large-scale floating platform for offshore wind farm; 成解析手法の開発 （２）海洋構造物波浪災害予測とその防止 に関する研究 （３） 大規模浮体式洋上風力発電プラットホー (4) Environmentally friendly ship design; (5) High-resolution numerical simulation of air pollutants diffusion. ムに関する研究 （４）船舶の省エネ技 術に関する研究 （５）局所大気汚染拡 散と制御に関す る大規模数値シ ミュレーション などである。 Numerical simulation of a strongly nonlinear wave-ship interaction by the CIP method CIP法による水波と船の強非線形相互作用の数値シミュレーション (7) Development of a new implant with an artificial periodontal membrane function (8) Deformation measurement of living human periodontium using an X-ray CT (9) Experimental analysis of contraction deformation of dental biomaterials (10) Deformation analysis of periodontium under dental occulusion (11) Fracture mechanism of bioabsorbable polymer blends 粒子法による養殖生簀のシミュレーション Numerical simulation of fish cages in waves by a particle method RESEARCH INSTITUTE FOR APPLIED MECHANICS 2010 07
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