風力工学

風工学は、機械工学、構造工学、気象学、応用物理学のサブセットであり、自然環境と人工環境における風の影響を分析し、風によって生じる可能性のある損害、不便、または利点を研究します。工学分野では、不快感を引き起こす可能性のある強風だけでなく、広範囲にわたる破壊を引き起こす可能性のある竜巻、ハリケーン、暴風雨などの極端な風も含まれます。風力エネルギーと大気汚染の分野では、発電と汚染物質の拡散に関連する弱風と中風も含まれます。

風工学は、気象学、流体力学、力学、地理情報システム、そして空気力学や構造力学を含む多くの専門工学分野を活用しています。^[1]使用されるツールには、大気モデル、大気境界層風洞、計算流体力学モデルなどがあります。

風力工学には、次のようなトピックが含まれます。

構造物（建物、橋、塔）への風の影響
建物付近の風の快適さ
建物内の換気システムに対する風の影響
風力エネルギーに適した風の気候
建物付近の大気汚染

構造エンジニアは、風工学は地震工学や爆発防止と密接に関連していると考えるかもしれません。

キャンドルスティック・パークやアーサー・アッシュ・スタジアムなどの一部のスポーツスタジアムは、時には渦を巻くような強い風が吹くことで知られており、それが競技条件に影響を与えます。

歴史

風工学が独立した学問として始まったのは、1960年代の英国で、当時は英国国立物理学研究所、英国建築研究所などで非公式の会合が開かれていた。「風工学」という用語は1970年に初めて作られた。 ^[2] アラン・ガーネット・ダベンポートは、風工学の発展に最も大きく貢献した人物の一人である。^[3]彼は、構造物にかかる最終的な荷重にさまざまな要素がどのように寄与するかを説明するアラン・ダベンポート風荷重チェーン、または略して「風荷重チェーン」を開発したことでよく知られている。^[4]

建物にかかる風荷重

建物の設計では風荷重を考慮する必要があり、風荷重は風せん断の影響を受ける。工学上の目的では、べき乗法則風速プロファイルは次のように定義される。^[5]^[6]

\ v_{z}=v_{g}\cdot \left({\frac {z}{z_{g}}}\right)^{\frac {1}{\alpha }},0<z <z_{g}

どこ：

\v_{z}

= 高度における風速

\z

\v_{g}

= 勾配高度における勾配風

\z_{g}

\\alpha

= 指数係数

通常、建物は 50 年以上など、非常に長い再現期間の強風に耐えられるように設計されています。設計風速は、極値理論を使用して将来の極端風速を予測し、過去の記録から決定されます。風速は通常、地域の設計基準に基づいて計算されます。建物の風荷重の設計基準には次のものがあります。

オーストラリア向け AS 1170.2
EN 1991-1-4（ヨーロッパ向け）
カナダのNBC

風の快適さ

高層ビルの出現により、これらの建物が付近の歩行者に風による迷惑を与えるのではないかという懸念が生じました。

1971年以降、歩行者の行動に基づいて、風の快適性と風の危険性に関するさまざまな基準が策定されました。^[7]

長時間座っている
短時間座る
散策
速く歩く

その他の基準では、風の環境は完全に受け入れられない、または危険であると分類されました。

1つまたは2つの長方形の建物で構成される建物の形状には、いくつかのよく知られた効果があります。^[8]^[9]

建物の角の周りのコーナーストリーム（コーナージェットとも呼ばれる）
建物内の通路や2つの建物間の小さな隙間で圧力の短絡により発生する貫通流（通路ジェットとも呼ばれる）
建物の跡に渦が放出される

より複雑な形状の場合、歩行者の風の快適性に関する研究が必要です。これには境界層風洞で適切にスケールされたモデルを使用できますが、最近では計算流体力学技術の使用が増えています。^[10]特定の超過確率に対する歩行者レベルの風速は、地域の風速統計を可能にするために計算されます。^[11]

これらの研究で使用される垂直風プロファイルは、建物周辺の地形（風向によって異なる場合がある）によって異なり、次のようなカテゴリに分類されることが多い。^[12]

障害物がほとんどないか全くない露出した開けた地形で、使用可能な風速の水面
水面、開けた地形、高さが一般的に1.5～10mの障害物がほとんどなく、よく散在する草地
郊外の住宅地など、高さ3～5mの障害物が密集している地形
大都市の中心部や発達した工業団地など、多数の大きくて高い（高さ10～30メートル）障害物が密集している地形

風力タービン

風力タービンは風のせん断の影響を受けます。垂直方向の風速プロファイルにより、地面に最も近いブレードとブレード移動の頂点の風速が異なり、これがタービンの運転に影響を及ぼします。^[13]ブレードが垂直の場合、風の勾配により2枚ブレードのタービンのシャフトに大きな曲げモーメントが発生する可能性があります。^[14]水上では風の勾配が小さいため、浅い海ではより短く安価な風力タービンタワーを使用できます。^[15]

風力タービン工学では、高度による風速の変化は、しばしばべき乗法則を用いて近似される：^[13]

\ v_{w}(h)=v_{ref}\cdot \left({\frac {h}{h_{ref}}}\right)^{a}

どこ：

\ v_{w}(h)

= 高度における風速[m/s]

h

\v_{ref}

= ある基準高度における風速[m/s]

h_{ref}

\a

= ヘルマン指数（別名、べき乗指数またはせん断指数）（中性流れでは約 1/7 ですが、1 を超えることもあります）

意義

風工学の知識は、すべての高層ビル、ケーブル吊橋や斜張橋、送電塔や通信塔、その他すべての種類の塔や煙突の解析と設計に使用されます。風荷重は多くの高層ビルの解析で支配的な荷重であるため、風工学はそれらの解析と設計に不可欠です。また、風荷重はすべての長スパンケーブル橋の解析と設計で支配的な荷重です。

参照

参考文献

^ Hewitt, Sam; Margetts, Lee; Revell, Alistair (2017-04-18). 「デジタル風力発電所の構築」。Archives of Computational Methods in Engineering . 25 (4): 879–899. doi :10.1007/s11831-017-9222-7. ISSN 1134-3060. PMC 6209038 . PMID 30443152.
^ Cochran, Leighton ; Derickson, Russ (2011年4 月)。「物理モデラーから見た計算風工学」。Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics。99 (4): 139–153。Bibcode :2011JWEIA..99..139C。doi : 10.1016 /j.jweia.2011.01.015。
^ ソラーリ、ジョヴァンニ（2019）。風の科学と工学：起源、発展、基礎と進歩。シュプリンガー土木工学の道。チャム：シュプリンガーインターナショナルパブリッシング。doi ：10.1007 / 978-3-030-18815-3。ISBN 978-3-030-18814-6。
^ Isyumov, Nicholas (2012 年5 月)。「Alan G. Davenport の風工学への貢献」。Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics。104–106 : 12–24。Bibcode :2012JWEIA.104...12I。doi : 10.1016 /j.jweia.2012.02.007。
^ クローリー、スタンリー（1993年）。スチールビルディング。ニューヨーク：ワイリー。p.272。ISBN 978-0-471-84298-9。
^ Gupta、Ajaya Kumar、Peter James Moss (1993)。横方向の力を受ける低層ビルの設計ガイドライン。ボカラトン：CRC Press。p. 49。ISBN 978-0-8493-8969-6。
^ 建物周辺の歩行者の風の快適性：風の快適性基準の比較。表3
^ 建物周辺の歩行者の風の快適性：風の快適性基準の比較。図6
^ 歩行者に対する風の影響。図3
^ 建築物周辺の歩行者風環境へのCFDの実用化に関するAIJガイドライン
^ 建物周辺の歩行者風環境。p112
^ AS/NZS 1170.2:2011 構造設計作用パート2 – 風作用。セクション4.2
^ ab Heier, Siegfried (2005).風力エネルギー変換システムのグリッド統合。チチェスター：John Wiley＆Sons。p. 45。ISBN 978-0-470-86899-7。
^ ハリソン、ロバート (2001)。大型風力タービン。チチェスター: ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。p. 30。ISBN 978-0-471-49456-0。
^ Lubosny, Zbigniew (2003).電力システムにおける風力タービンの運用: 高度なモデリング. ベルリン: Springer. p. 17. ISBN 978-3-540-40340-1。

さらに読む

Blocken, Bert (2014)。「計算風工学の 50 年: 過去、現在、そして未来」。風工学および産業航空力学ジャーナル。129 : 69–102。Bibcode :2014JWEIA.129...69B。doi : 10.1016/ j.jweia.2014.03.008。
Baker, CJ ( 2007 ). 「風工学 - 過去、現在、そして未来」。風工学と産業航空力学ジャーナル。95 (9–11): 843–870。Bibcode :2007JWEIA..95..843B。doi :10.1016/ j.jweia.2007.01.011。

外部リンク

「高層ビルが風を抑える仕組み」。B1M。2018年9月12日。2021年12月15日時点のオリジナルよりアーカイブ – YouTube経由。

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[1] Hewitt, Sam; Margetts, Lee; Revell, Alistair (2017-04-18). 「デジタル風力発電所の構築」。Archives of Computational Methods in Engineering . 25 (4): 879–899. doi :10.1007/s11831-017-9222-7. ISSN 1134-3060. PMC 6209038 . PMID 30443152.

[2] ^ Cochran, Leighton ; Derickson, Russ (2011年4 月)。「物理モデラーから見た計算風工学」。Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics。99 (4): 139–153。Bibcode :2011JWEIA..99..139C。doi : 10.1016 /j.jweia.2011.01.015。

[3] ソラーリ、ジョヴァンニ（2019）。風の科学と工学：起源、発展、基礎と進歩。シュプリンガー土木工学の道。チャム：シュプリンガーインターナショナルパブリッシング。doi ：10.1007 / 978-3-030-18815-3。ISBN 978-3-030-18814-6。

[4] ^ Isyumov, Nicholas (2012 年5 月)。「Alan G. Davenport の風工学への貢献」。Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics。104–106 : 12–24。Bibcode :2012JWEIA.104...12I。doi : 10.1016 /j.jweia.2012.02.007。

[Crawley-5] クローリー、スタンリー（1993年）。スチールビルディング。ニューヨーク：ワイリー。p.272。ISBN 978-0-471-84298-9。

[Gupta-6] Gupta、Ajaya Kumar、Peter James Moss (1993)。横方向の力を受ける低層ビルの設計ガイドライン。ボカラトン：CRC Press。p. 49。ISBN 978-0-8493-8969-6。

[7] 建物周辺の歩行者の風の快適性：風の快適性基準の比較。表3

[8] 建物周辺の歩行者の風の快適性：風の快適性基準の比較。図6

[9] 歩行者に対する風の影響。図3

[10] 建築物周辺の歩行者風環境へのCFDの実用化に関するAIJガイドライン

[11] 建物周辺の歩行者風環境。p112

[12] AS/NZS 1170.2:2011 構造設計作用パート2 – 風作用。セクション4.2

[Heier-13] Heier, Siegfried (2005).風力エネルギー変換システムのグリッド統合。チチェスター：John Wiley＆Sons。p. 45。ISBN 978-0-470-86899-7。

[14] ハリソン、ロバート (2001)。大型風力タービン。チチェスター: ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。p. 30。ISBN 978-0-471-49456-0。

[Lubosny-15] Lubosny, Zbigniew (2003).電力システムにおける風力タービンの運用: 高度なモデリング. ベルリン: Springer. p. 17. ISBN 978-3-540-40340-1。