部門及び附属センターの紹介

国内外の応用力学共同研究拠点（大学附置研究所＆全国共同利用研究所研）である応用力学研究所は、

2010年に３研究分野に改編され、2013年に設立された自然エネルギー統合利用センターを加え、３力学 部門と３センターにより構成されている。大気・海洋環境と再生エネルギーと核融合プラズマの３研究分 野を基に、社会のニーズに沿って学術から応用まで研究を推進している。本章では、研究分野紹介と、

2016年度・2017年度の研究活動の概要を説明する。

尚、３センターは、以下の通りの時限を設定されている。

■大気海洋環境研究センター（旧：東アジア海洋大気環境研究センター）： 2022.3.31

■高温プラズマ理工学研究センター（旧：高温プラズマ力学研究センター）： 2022.3.31

■自然エネルギー統合利用センター：2023.3.31

地球環境力学部門 6 講座

大気海洋環境研究センター5 講座

新エネルギー力学部門 4 講座

自然エネルギー統合利用センター5 講座

核融合力学部門 4 講座

高温プラズマ理工学研究センター6 講座 エネルギー

環境

非線形・複雑系力学

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第１項 新エネルギー力学部門（Division of Renewable Energy Dynamics）

部門長： 胡 長洪 新エネルギー力学部門（Division of Renewable Energy Dynamics）では、クリーンで再生可能なエネルギ ーである風力、太陽光、海洋等の効率的な取得とエネルギー変換のための研究開発に取り組んでいる。特 に自然エネルギーの力学現象、エネルギー変換のための基礎物理現象、新エネルギ－創成機器及び変換機 器の研究開発に取り組んでいる。

風工学分野（Wind Engineering）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。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室内実験及び屋外実証実 験と数値流体シミュレーションを行っている。

結晶成長学分野（Crystal Growth Dynamics）では、再生可能エネルギーや省エネルギーに資する太陽電 池やパワーデバイス等のデバイス材料の開発・結晶成長に関する研究を推進している。特に、ナノスケー ルとマクロスケールの実験と数値解析を統合して、再生可能エネルギーや省エネルギー社会への学術的 貢献を結晶成長学の実験と数値解析を基礎として行っている。

新エネルギー材料工学分野（Renewable Energy Materials Engineering）では、超高効率太陽電池用材料、

低損失電力変換素子用材料の開発および航空機や自動車用の先進複合材料の開発に関する基礎と応用研 究を行っており、再生可能な自然エネルギー利用及び省エネルギー社会の普及に貢献することを目指し ている。

海洋環境エネルギー工学分野（Marine Environment and Energy Engineering）では、海上風、潮流、波浪 を利用した自然エネルギー技術、養殖生簀を代表する海洋空間利用技術、及びこれらの技術が海洋環境へ の影響の評価に関わる未解決な流体力学的な諸問題について先駆的な研究を行っている。

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●風工学分野（Wind Engineering）

①大気境界層の構造と風の流れ

様々に温度成層して乱流状態にある大気境界層の構造および輸送特性を調べ、大気境界層内で行われ ている物質、運動量、熱の移流、拡散現象の解明を目指している。また、成層状態における風の流動パタ ーン、波動の発生などについて、風洞、水槽実験、および数値シミュレーションを用いて研究を行ってい る。

②物体周りの流れとその空力特性

種々の形状を持つ非流線型物体（ブラフボディ）が、一様流、乱流、変動流、突風、境界層乱流などの 様々な流れの中に置かれた場合、どのような周辺流れと空力特性を示すかについて系統的な風洞、水槽実 験および数値解析を行い、ブラフボディ流れに関する統一的説明の構築を目指している。

③風環境予測法の確立

数値風況予測シミュレーター（リアムコンパクトと名付けた）の高精度化を図っている。リアムコンパ クトを、風力業界における標準モデルの一つとして広く普及に努めてきた。特に、複雑地形上に設置され た大型風車の数値風況診断という新しい分野を確立した。数値風況診断を実施することで、地形乱流の影 響が視覚的にかつ定量的に明らかになる。計算結果から、効率的な発電を行いつつ、風車の安全運転制御 上の指針を示すことに成功した。今後は、リアムコンパクトの世界規模への利用を目指した研究開発を行 う。また同時に、レンズ風車の離島や建物屋上への導入を支援する最適候補地の選定技術を確立する予定 である。

④風力エネルギーの有効利用

風力・水力・海洋エネルギーの有効利用に関する研究である。特色は、流体エネルギーを集中させて風 力・水力発電の効率を飛躍的に高めた新しいタイプの風力発電システムおよび水力発電システムを開発

（それぞれレンズ風車、レンズ水車と名付けた）した。全くユニークな新型レンズ風車に関しては、数年 に亘る研究の結果、従来の風車と比べ、２–５倍の発電出力の増加を達成し、小型（1-5kW機）・中型（100kW 機）のレンズ風車を開発した。レンズ水車に関しても、全く同じ原理で、同じ形状のシュラウド付き水力 タービンを流水中に設置することにより、高効率水車を開発することができた。

⑤自然エネルギーの次世代取得技術とその統合的利用に関する研究

自然エネルギー取得を飛躍的に高めるイノベーションを創出する。地球環境に調和した多様な高効率・

高密度の自然エネルギー取得方法・統合利用を研究開発する。その研究成果の実用化、事業化を目指し、

かつ漁業、農業との協調を図って社会実装を実現する。理工学、農学、社会学と広い学術分野を包含する ため、文理融合、大学間連携が必然となる。また世界を同時に社会実装の舞台にするため、産学における 国際共同研究が必要となる。本事業を通し、大学発ベンチャーの創出、強化を図る。

分野ホームページ https://www.riam.kyushu-u.ac.jp/windeng/

教授 大屋 裕二（2017 年 3 月退職） 准教授 内田 孝紀

- 26 - 持続的なクリーンエ ネルギ ー供給システムを実現するた めには、再生可能エネルギ ーがキーテ クノロジ ーの一つ である。 再生可能エネルギ ーの中でも風力発電は欧米 および中国で導入が進んでおり、 近年欧州では立地制 約の克服のため洋上へ展開され、3～5MWクラスの大型 風車50～15 0機からなる大型洋上ウィンドファームが建 設されている。 我が国でも風力発電の導入は着実に進 んでおり、日本風力発電協会によると国内では2020年ま でに50万kW、2030 年には760万kWの洋上ウィンドファー ム建設が可能との試算がある。 大規模な洋上ウィンド ファームでは、 立地の制約上（輸送・施工、港湾区域、航 路、漁協権など）、風車を格子状に配置する場合が多く、

上流側風車の後流（ウェイク） の影響のため下流側風車 において数10% もの発電量低下や乱流増加のための疲 労荷重の増加が問題となっている。 欧州の洋上ウィンド ファームでは、 ファーム 内の増速機を全て交換した例も ある。 プロジ ェクトの事業性を評価するためには、 ウィン ドファームの設計開発において風車同士の流れの干渉 に 伴 う 発 電 性 能 低 下 、 お よ び 疲 労 評 価 を高 い 精 度 で予測する必要がある。

本サブ課題では、 国立大学法人東京大学、国立大学法 人東京大学生産技術研究所、国立大学法人豊橋技術 科学大学、国立大学法人九州大学応用力学研究所、株 式会社風力エネルギ ー研究所が中心となり、 大規模洋 上風力発電の高効率化（ 風車同士の相互干渉による発 電量の減少を防ぐこと、 風車ブレードの疲労破壊を防ぐ こと、期待通りの発電量を得るために最適な風車の配置 方法を探ること等） を、 ポスト「京」の計算資源を活用して 実現するための研究開発を行っていま す。

風工学分野・内田 孝紀

【概要】

・東日本大震災後のエネルギー問題に対する国民の意識が高まっています。

・低炭素社会の実現を目標とした原子力に依存しない安全で持続的な社会の構築が必要です。

・今後増やすべき発電用エネルギー源：自然エネルギー 70% （NHK世論調査）

・日本沿岸の潜在的エネルギー源を活用した大規模洋上ウィンドファームの開発が不可欠です。

・文部科学省の『ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーション 開発・研究開発』重点課題⑥（サブ課題Ｃ）に採択され、研究開発を進めています。

2017年度研究活動報告書

革新的クリーンエネルギーシステムの実用化

洋上ウィンドファームの大規模数値風況解析

■外部資金：文部科学省(MEXT) 『ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するア プリケーション 開発・研究開発』における重点課題⑥(サブ課題C)「革新的クリーンエ ネルギ ーシステムの実用化

（サブテーマ名：高効率風力発電システム構築のための大規模数値解析）」，2014-2019

■内田孝紀，風車ウエイクのラージ・エ ディ・シミュレーション（LES），計算工学，Vol.22，No.3，pp.3613-3617，2017

■内田孝紀，LESによる陸上および洋上ウィンドファームの数値風況予測，ターボ機械，第44巻，第7号， pp.15-22，2016

本システムにより、大型風車 および洋上ウィンドファーム の開発・設計を支援し、日本 の風力発電産業の国際競争 力強化に貢献する。

デンマークHorns Revの洋上風力発 電 所 （ 2 0 0 2 年 運 開 ， 2 M W 風 車

×80 台）を対象とした実証研究結果

(a)実際の風車群の

ウエイク(後流域)が霧で可視化された事例

(b)九大応力研発の数値風況予測モデル (RIAM-COMPACT)による計算結果