Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

台風シミュレーション / 天気図 / 台風データベース / 台風の確率モデル / 台風モデル / 現地観測 / 精度検証 / 数値解析 / 複雑地形 / 剥離 / 乱流モデル / 高速解法 / 境界処理 / 解析安定性 / 台風

本研究では,まず台風の性質を表す基本パラメータ(台風の移動方向,移動速度,中心気圧の低下量,最大旋衡風速半径,年平均上陸数など)に関する新しいデータベースを構築し,日本における台風の確率モデルを作成した。具体的には,まず台風気圧場同定の際には天気図の等圧線情報と気圧の地上観測データとを融合利用する手法を開発し,気圧場同定の成功率を従来の13%から66%へ向上させた。これにより,日本を含む極東アジアをカバーできる台風データベースの作成に成功した。そして,このデータベースを基に,台風の統計的性質を表す新しい確率モデルを提案した。本モデルでは台風気圧場や台風移動速度に対する近似精度は大きく向上され,また従来の確率モデルにより求められた風速値の長い再現期間における過大評価も是正された。本研究で提案された確率モデルを基に作成された台風シミュレーションプログラムを用いて,日本を代表する6つの気象官署(那覇,宮崎,大阪,千葉,仙台,札幌)を対象に10000年分の台風を発生し,上空風の極値分布を求め,実台風データを基に算定された上空風と比較することにより,モデルの予測精度を検証した。その結果,本確率モデルにより求められた年最大風速の100年と1000年再現期待値は従来のモデルに比べ,それぞれ最大11%と19%を低下し,実台風の値とよく一致した結果を得た。
次に,複雑地形と地表面粗度を有する山岳地帯における台風接近時の強風場の予測手法を提案した。具体的には,まず一様で平坦な地形を対象に流体力学の基礎式Navier-Stokes方程式に基づき,台風接近時の上空風の予測式を導出し,これにより,台風の移動に伴い,台風進路右側の風速の増大を表現することができた。そして,台風時の大気境界層を記述する基本パラメータを提案し,台風時の大気境界層の高さは風速の増大に伴い増大しない現象を説明することに成功した。地衡風時の大気境界層の性質は地球の自転による惑星渦度(コリオリパラメータ)により支配されているのに対して,台風時の大気境界層の性質は風の旋回により発生する渦度と惑星渦度との和になる絶対渦度により支配され,また台風時の大気境界層は上空風速と絶対渦度との比からなる長さスケールに対して相似であることを明らかにした。台風時の上空風速モデルと初年度に開発した局地強風予測モデルを用いることにより,台風接近時の局地強風の高精度な予測を実現した。
最後に,平成14年10月1日に関東に上陸した台風21号を対象に台風シミュレーションを行い,台風21号による送電鉄塔被害が発生した水郷地区の強風特性並びに鉄塔倒壊現場周辺の強風分布を明らかにすると共に,現地観測から得られた強風データと比較することにより,台風接近時の本システムの予測精度を実証した。

風況予測 / 複雑地形 / 風力エネルギー / 修正残差切除法 / 境界条件 / 風洞実験 / 剥離 / 予測誤差 / 高速解法 / 数値解析 / 非線形モデル / 境界処理 / 減速 / 風洞 / 乱流モデル / 風速測定

気候変動枠組条約に基づく京都議定書が発効する見込みであり,日本は二酸化炭素排出量の大幅な削減が求められる.そのために二酸化炭素を排出しないエネルギーである風力エネルギーの有効利用が今後重要となる.日本での風力エネルギーの有効利用のためには急峻で複雑な地形上の高精度な風況予測が必要不可欠である.
本研究は流体力学の基礎方程式に基づく新しい局地風況予測モデルを開発し,剥離を伴う複雑地形上の流れ場の高精度な予測を可能にした。また連綿と連なる実地形上の流れを解析するため,流量が保存する境界処理手法を提案した。これにより従来の境界処理による風速の過大または過小評価問題を解決し,実地形の全ての部分を用いて計算した速度場と一部を取り出して計算した速度場はほぼ一致する結果を得た.上流の境界では対象領域と同じ程度の大きさの解析領域を設置することを提案し,上流の地形の影響を正しく反映させる上流境界処理方法を実現した.更に,本局地風況予測モデルを実務に使用できるように,数値解法の高速化を行い,短時間かつ安定に計算を収束させることのできる修正残差切除法を提案した。従来の数値解法に比べ,計算速度を20倍以上に高めた.最後に,実地形模型を用いた大型風洞実験を実施し,複雑地形上における流れ場の特性を局地風況予測モデルより明らかにした.その結果,今回開発した局地風況予測モデルは地形の収束による風速の増大や流れの剥離による風速の減少を的確に予測でき,また予測誤差が10%程度であることを明らかにした.
本研究で開発された局地風況モデルは風力発電量予測の実務にも利用できるものであり,今後の日本エネルギー利用の効率化に大きく貢献する.

乱流数値解析 / ラージ・エディ・シミュレーション / サブグリッドモデル / 一般座標系 / 有限要素法 / 速度境界条件 / 平面乱流噴流 / バックステップ流れ / Dynamic SGSモデル / 流出速度境界条件 / 流れの画像表示 / 数値解析 / 数値流体力学 / 乱流 / ラージエディシミュレーション / 乱流モデル / 境界適合座標 / 境界条件 / 剥離

ラージ・エディ・シミュレーション(LES)は、これまで主に乱流構造の基礎研究のための数値解析法として比較的単純な流れ場に適用されてきた。しかし、計算機ハードウェア性能の向上によって、これまで以上に詳細な解析が可能となったため、乱流の基礎研究においてはLESにかわって近似モデルを用いない直接シミュレーション(DS)が試みられつつあり、LESに対してはDSを適用できない複雑な流れ場の解析手段としての有用性が注目される。そこで、本研究ではLESを工学における複雑な乱流場に適用する際の課題について検討して基礎的な数値検証を行うとともに、比較的複雑な流れ場へLESを適用して工学的有用性を検証した。基礎的課題としては、LESで用いられる空間フィルタおよびサブグリッド(SGS)モデルの検討、特に複雑な乱流場解析に適すると考えられるDynamic SGSモデルの定式化と基礎的な数値検証、壁面における近似速度境界条件の検証、流出速度境界条件および圧力境界条件の検討と数値検証、一般座標系格子におけるLESの精度検討、有限要素法(FEM)による定式化と基礎的な数値検証を行った。工学的流れ場への応用例として、平面乱流噴流およびバックステップ流れのLES結果を示し、前述の基礎的研究成果も踏まえて、境界条件、計算格子などの影響やSGSモデルの適用性について検証した。統計量や乱流構造は工学的に十分な精度で予測されており、乱流モデル検証に有用なデータベースが得られた。また、これらの数値検証を効率的に行うために3次元非定常流れ場の画像表示手法を活用したほか、一部の解析結果についてはアニメーション表示の事例も示した。

【研究分担者】
松井正宏	東京工芸大学	工学部	助教授	(Kakenデータベース)
藤野陽三	東京大学	大学院・工学系研究科	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
野村卓史	日本大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)
木村吉郎	九州工業大学	工学部・建設社会工学科	助教授	(Kakenデータベース)
石原孟	東京大学	大学院・工学系研究科	助教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
大島まり	東京大学	生産技術研究所	助手	(Kakenデータベース)
森西洋平	名古屋工業大学	機械工学科	講師	(Kakenデータベース)
谷口伸行	東京大学	生産技術研究所	助教授	(Kakenデータベース)