数値計算から得られた流速分布の実験結果との比較

この項ではまず，実験と計算それぞれで得られた流速を比較する．

図3.7，図3.8に風車単体前面における，流速の比較を示す．周速比が変化したときの流速 変化が良く再現されており，値自体も良い一致を示している．

風レンズ風車に関する流速を比較する前に，風レンズのみの場合に関する流速を比較す る．図3.9に風レンズ前面・後面・スロート部での流速の比較を示す．これを見ると，スロ ート部，ベンチュリ流入部前面，ベンチュリ流出部後面で，計算による流速が実験と比べ て速い．すなわち計算結果では，風レンズ内部流量が実験より多い．風車単体の場合に，

傾向や値の良い一致が得られていることから，実験方法に問題がないと考えると，計算に 問題があることになる．これは以下に述べるように，2次元計算であることが主な原因と考 えられる．

2次元計算では，風が構造体鉛直方向に逃げることがないので，インレットから流入した 流れは必ず構造体内部を流れる．また，渦の 3 次元的な拡散がないため，強い渦が形成さ れる(これを渦に対する2次元的効果と呼ぶことにする)．よって，つば背後に形成される渦 も強力で，強い引き込み効果が生まれ，流入風がより増速する．さらに，今回の計算では ブレードを精度良く表現するために，非常に細かい格子を切っている．すると非常に細か い渦まで再現できることから，渦に対する2次元的効果はさらに強まる．

上記の理由が正しいかどうかを確かめるためには，風レンズのみの 3 次元計算を行って みることが必要である．しかし，再度図3.9を見てみると，流速分布形状はどの比較位置で も類似している．よって，風レンズをつけた場合でも定性的な議論ができるほどの精度は あると考えられる．

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

u/U∞

y/c

2b_1.0_exp 2b_1.5_exp 2b_2.0_exp 2b_2.5_exp 2b_1.0_sim 2b_1.5_sim 2b_2.0_sim 2b_2.5_sim

図3.7 実験・計算で得られた流速分布の比較(2枚翼風車単体前面)

30

次に風レンズ風車の場合に関してである．図3.10，図3.11は，風レンズ風車前面での流 速分布である．図 3.10を見ると，周速比が低い場合は，計算による流速が速い．しかし，

周速比が高くなると値が一致してくる．ここまでに，

1. 風車単体 → 良い模擬ができている

2. 風レンズのみ → 計算の構造体内部流速が過大して見積もられる

という結果が得られている．これらのことをふまえると，図3.10，図3.11の結果は妥当な ものである．すなわち，低周速比では，現象に対する風車の影響が小さいため，構造体に よって引き起こされる現象が大部分を占める．したがって，上記 2 の結果に近いものが得 られる．しかし，高周速比になってくると，現象に与える風車の影響が大きくなってくる

図3.8 実験・計算で得られた流速分布の比較(3枚翼風車単体前面)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

u/U∞

y/c

3b_0.5_exp 3b_1.0_exp 3b_1.5_exp 2b_2.0_exp 3b_0.5_sim 3b_1.0_sim 3b_1.5_sim 3b_2.0_sim

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-0.6 -0.2 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6

u/U∞

y/c

WL_exp(front) WL_exp(throat) WL_exp(back) WL_sim(front) WL_sim(throat) WL_sim(back)

図3.9 実験・計算で得られた流速分布の比較(風レンズのみ)

31 ため，良い模擬ができてくると考えられる．

別の視点から見ると，これらの結果は「垂直軸型風車まわりの流れは，かなり 2 次元性 が強い」ということを示している．2次元性が強い理由は，ブレードが回転していることに よるものと予想できる．物体まわりに形成された渦は次第に拡散していき，そのときに 3 次元的拡散も起こる．しかし，垂直軸型風車のブレードは，回転するにつれて刻一刻風に 対する状況が変わるため，異なる渦が次々と生み出され続ける(3.2.2項参照)．その結果，ま だ2次元性を強く持った渦が多く存在し，2次元性の強い流れ場になるものと考えられる．

いずれにせよ，少なくとも流速分布形状は今回の実験・計算で良く一致している．(3 枚 翼の場合では大きな差があるように思えるが，分布形状は類似している．今回の平均時間 は，どの場合も無次元時間40，実時間にして1秒しかとっていない．また，高周速比での 計算においては，流れ場の安定に十分な計算時間をとれていない場合もあるので，それも 差の要因になっていると考えられる．)

図3.10 実験・計算で得られた流速分布の比較(2枚翼風レンズ風車前面)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

u/U∞

y/c

2b_1.0_exp 2b_1.5_exp 2b_2.0_exp 2b_2.5_exp 2b_3.0_exp 2b_1.0_sim 2b_1.5_sim 2b_2.0_sim 2b_2.5_sim 2b_3.0_sim

図3.11 実験・計算で得られた流速分布の比較(3枚翼風レンズ風車前面)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

u/U∞

y/c

3b_2.0_exp

3b_2.0_sim

32