OpenFOAM を用いた沿道大気質モデルの開発
Development of a Roadside Air Quality Model with OpenFOAM 木村 真 *1 Shin KIMURA 伊藤 晃佳*2 Akiyoshi ITO 1. はじめに 自動車排出ガスの環境影響は，道路沿道で大き く，建物など構造物が複雑な気流を形成するため， 沿道大気中の自動車排出ガス濃度分布も複雑にな る．したがって，近年，CFD (Computational Fluid Dynamics: 数値流体力学)を用い沿道の気流分布 を詳細に予測し，局所的な自動車排出ガスの濃度 分布を算出する手法が注目を集めている．2007年 度 か ら2011 年 度 の 5 ヵ 年 で 実 施 さ れ た Japan Auto-Oil Program (JATOP)1)では，CFDを利用し た沿道大気質モデル(以下，JATOPモデルと略記) を開発し，沿道大気質の環境評価を可能にした． CFDのソフトウェアの多くが市販ソフトウェ アであるが，近年，無償のCFDソフトウェアが使 用されつつある．これらの中には，商用CFDソフ トウェアに匹敵する精度，機能を有しているもの もあり，CFDコスト削減の観点から大きな期待を 集めている． そこで，本研究は，無償CFDソフトウェアとし てOpenFOAM2)を用いてJATOP沿道大気質モデ ルに代替可能なモデル(以下，OpenFOAMベース モデルとする)を開発し，低コストで利用できる沿 道大気質モデルの実現を目指す．本稿では，開発 において，都市形状を簡易的に模擬した形状と実 都市形状を用い，JATOPモデルとの比較をした結 果をまとめる． 2. 計算手法 2. 1 沿道大気質モデルの計算フロー概要 OpenFOAMベースモデルは，基本的に，JATOP モデルのフローと同じである3)．Fig. 1に計算フロ ーの概要を示す．このモデルは，気流計算(定常解 析)を実施し，そこで得られた気流計算結果と自動 車排出量分布を用いガス拡散輸送方程式(定常解 析)を解き，排出ガスの空間濃度分布を予測する仕 組みである． 2. 2 気流計算 気流計算では，OpenFOAMのデフォルトソル バであり，非圧縮性流体の定常解析ソルバである simpleFoamを用いた．乱流モデルに標準k-εモデ ルを使用し，壁面の境界条件に壁関数を用いた． また，対流項の離散化にはTVD系のスキームを使 用した． 2. 3 拡散計算 OpenFOAMには拡散計算を実施できるソルバ がデフォルトで搭載されていない．そのため，ユ ーザ側でソースコードを書き換え，対応するソル バを作る必要がある．本研究では，気流計算で用 いたsimpleFoamのソースコードをベースに拡散 計算用ソルバを作成した．なお，作成したソルバ
JARI Research Journal 20130706 【技術資料】 ＊1 一般財団法人日本自動車研究所 エネルギ･環境研究部 ＊2 一般財団法人日本自動車研究所 エネルギ･環境研究部 博士（工学） 3 次元形状データ (実都市形状データなど) OpenFOAM 用の 計算格子作成 排出量分布を計算 格子に割り当て 排出量分布 データ 気流計算 拡散計算 計算結果 計算格子データ 計算格子データ 計算格子データ 拡散計算用 排出量分布データ 計算結果 Fig. 1 沿道大気質モデルの計算フロー概要
は，simpleFoamと同様，ガス濃度の定常解を求 めるものである． 3. 簡易型都市キャノピーモデルを用いた拡散 計算の実施 簡易型都市キャノピーモデルとは，単純形状の 構造物と道路に相当する谷の部分で構成された形 状であり，複雑な都市形状を簡易的に表現したも のである．自動車排ガスなどの拡散計算の基本的 な問題としてよく使用される．簡易型都市キャノ ピーモデルは，計算格子が単純であるため，両モ デルで同一の計算格子を設定できる．そのため， 計算格子の依存性を排除したモデルの比較ができ 計算スキームや乱流モデルなどの影響を確認する 場合に適している． 本章では，簡易型都市キャノピーモデルを用い， JATOPモデルとOpenFOAMベースモデルの計算 の 比 較 を 行 い ，OpenFOAM ベ ー ス モ デ ル が JATOPモデルと同等の精度を有しているか確認 する． 3. 1 計算領域 Fig. 2に本計算で使用した簡易型都市キャノピ ーモデルの概略図を示す．図中の赤色の部分から， 自動車排出ガスを模擬したガス(以下，パッシブガ スとする)を発生させている． 3. 2 計算条件 Table 1に計算条件を示す．表からも分かるよう に，JATOPモデル，OpenFOAMベースモデルと もに同じ計算条件を与えている．また，計算格子 についても同一形状のものを使用している． 3. 3 計算結果 JATOPモデルとOpenFOAMベースモデルの平 均気流速度分布とパッシブガスの平均濃度分布の 比較を行う．ここでは代表として，x = 72，94お よび116m位置で計算結果を見る． Fig. 3に主流方向の平均速度分布を示す．いず れの位置においても，JATOPモデル，OpenFOAM ベースモデルの速度分布が良く一致し，気流計算 において，OpenFOAMベースモデルはJATOPモ デルと同等の精度を有していることが確認できた． Fig. 4にパッシブガスの平均濃度分布を示す． 図より，JATOPモデルに比べ，OpenFOAMベー スモデルの濃度分布が少し大きな値を示した．考 えられる理由としては，対流項離散化スキームの 取り扱いが厳密に異なることなどが影響している ものと考えられる． 4. 実都市形状を用いた拡散計算の実施 次に，実際の沿道を再現した3次元都市形状(実 都市形状)を用い計算した結果を示す．気流計算に 関 し て は ， 前 章 と 同 様 ，JATOP モ デ ル と OpenFOAMベースモデルの比較を行う．なお， 拡散計算は，JATOPモデルを用いた計算を実施で (a) 概略図 (b) 寸法 (単位：m) Fig. 2 簡易型都市キャノピーモデル Table 1 簡易型都市キャノピーモデルの計算条件 沿道大気質モデル JATOP モデル OpenFOAM ベースモデル 計算領域 Fig. 2 参照(計算格子幅：1m) 流入速度 1 m/s ガス発生速度 1 kg/(m3・sec)
きなかったため，結果の比較は行っていない． 4. 1 計算領域 Fig. 5に計算で使用した計算領域を示す．Fig. 5 の(a)がJATOPモデル，(b)がOpenFOAMベースモ デルの計算領域である．いずれも計算領域の大き さは4km×4km×0.2kmとしている．実都市形状 は領域中心部に設置し，この領域は細分割により 計算格子の解像度を上げており，最小格子幅を 2.5mに設定している． Fig. 5からも分かるように，両者の計算格子の 形 状は異なる．これは，JATOPモデルとOpenFOAM ベースモデルの計算格子生成機能が異なることに 起因する． また，本計算で用いた実都市形状は，川崎市川 崎区池上新田公園自排局周辺である． 4. 2 計算条件 Table 2に計算条件を示す．計算格子以外は， JATOPモデル，OpenFOAMベースモデルともに 同じ計算条件を与えている． 0 1 0 10 20 30 40 気流平均速度 (m/s) 高さ (m ) JATOPモデル OpenFOAMベースモデル 0 1 0 10 20 30 40 気流平均速度 (m/s) 高さ (m ) JATOPモデル OpenFOAMベースモデル 0 1 0 10 20 30 40 気流平均速度 (m/s) 高さ (m ) JATOPモデル OpenFOAMベースモデル (a) x = 72 m (b) x = 94 m (c) x = 116 m Fig. 3 気流平均速度分布 0 10 20 0 10 20 30 40 ガス平均濃度 (kg/m3 ) 高さ (m ) JATOPモデル OpenFOAMベースモデル 0 10 20 0 10 20 30 40 ガス平均濃度 (kg/m3 ) 高さ (m ) JATOPモデル OpenFOAMベースモデル 0 10 20 0 10 20 30 40 ガス平均濃度 (kg/m3 ) 高さ (m ) JATOPモデル OpenFOAMベースモデル Fig. 4 パッシブスカラーガス平均濃度分布 (c) x = 116 m (a) x = 72 m (b) x = 94 m
4. 3 計算結果 4. 3. 1 気流計算結果(モデル比較) Fig. 6には，JATOP，OpenFOAMベースモデ ルの計算空間の同一位置における気流速度(北向 きの気流速度)の相関を示す．これらプロットを取 得した領域は，実都市が存在する範囲で，かつ地 上から80m以下の領域である．この領域は，気流 に建物等構造物の影響が現れやすい．図より，こ れらの決定係数を算出したところ，決定係数は約 0.94となり，JATOPモデルとOpenFOAMベース モデルの気流計算の結果は良く一致し，この計算 結果からも，OpenFOAMベースモデルはJATOP モデルと同等の精度を有していることが確認でき た． 4. 3. 2 拡散計算結果 Table 2に示すように，自動車排出量分布データ としてJATOPの排出量推計データを使用した．排 出ガスはNOxで，時間帯は2005年の平日の正午を 想定した．
Fig. 7に計算結果を示す．Fig. 7 (a)は割り当て た自動車排出量分布を可視化したもので，(b)は空 間に広がるNOxの平均濃度分布を3次元的に可視 化したものである．Fig. 7 (b)より，NOxが北風に 流されながら沿道周囲に拡散している様子が見ら れ，本モデルは，実都市形状を用いた場合でも， 排出ガス拡散計算が機能していることを確認した． (a) JATOP モデル (b) OpenFOAM ベースモデル Fig. 5 実都市形状計算用の計算領域 Table 2 実都市形状における計算条件 沿道大気質モデル JATOP モデル OpenFOAM ベースモデル 計算格子の生成 JATOP モデルの計算 格子生成機能を使用 OpenFOAM 付属の計算格子 生成機能を使用 実都市形状 川崎市川崎区池上新田自排局周辺(池上と略記) 計算領域 4km×4km×0.2km 最小格子幅 0.75m 2.5m 流入風向・風速 北風，1 m/s 排出量分布データ － 池上，2005 年平日正午 (JATOP 排出量推計データを使用) 排出ガス － NOx -1 0 1 -1 0 1 風速 [JATOPモデル] (m/s) 風速 [O pe nF O A M ベー スモ デル ] ( m /s)
R
2=0.936
Fig. 6 気流速度の相関5. まとめ 以下に，本研究の成果・知見をまとめる． 1) OpenFOAMを用いた沿道大気質モデルを開発 し，実都市における自動車排出ガスの拡散計算 を実施可能にした． 2) 簡易型都市キャノピーモデルおよび実都市形 状を用いて，気流・拡散計算を行ったところ， 気流計算では，本開発モデルはJATOP沿道大 気質モデルと同等の性能を有していることを 確認した．しかし，排出ガスの拡散計算におい てJATOPモデルとの結果と差が出ており，こ の差の原因については今後詳細な検討が必要 である． 今後の課題として，上記，拡散計算の精度検証 のほか，本モデルの予測結果をより実現象に近づ けるための検討を行う． 本研究は，一般財団法人石油エネルギー技術セ ン タ ー が 実 施 し た 自 動 車 と 石 油 の 共 同 研 究 (JATOP)の一環であり，経済産業省の平成23年度 委託事業として実施されたものである． 参考文献 1) 石油エネルギー技術センターホームページ： http://www.pecj.or.jp/japanese/jcap/index_j.asp 2) OpenFOAMホームページ： http://www.openfoam.com/ 3) 伊藤晃佳ほか：JATOP沿道自動車排出量推計モデル， JARI Research Journal，2012-10-03
Fig. 7 NOx 排出量分布および空間濃度分布 (b) 空間濃度分布
