風工学

風工学は、機械工学、構造工学、気象学、応用物理学の一分野であり、自然環境および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、または利益を研究します。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、竜巻、ハリケーン、激しい嵐など、広範囲にわたる破壊を引き起こす可能性のある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、発電や汚染物質の拡散に関連する低風および中風も含まれます。

風工学は、気象学、流体力学、力学、地理情報システム、および空気力学や構造力学を含む多くの専門的な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、とりわけ以下の分野が含まれます。

• 風が構造物（建物、橋、塔）に与える影響
• 建物付近の風の快適性
• 建物の換気システムに対する風の影響
• 風力発電に適した風況
• 建物付近の大気汚染

構造技術者は、風工学を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ない。

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、一部のスポーツスタジアムは、強風、時には渦巻くような風が吹くことで知られており、それが試合環境に影響を与える。

風工学が独立した学問分野として確立されたのは、1960年代の英国で国立物理研究所、建築研究所などで非公式な会合が開かれたことに遡ります。「風工学」という用語は1970年に初めて造語されました。^{[ 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す。^{[ 3 ]}彼は、さまざまな構成要素が構造物にかかる最終的な荷重に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連鎖、略して「風荷重連鎖」を開発したことでよく知られています。^{[ 4 ]}

建物の設計では風荷重を考慮する必要があり、風荷重は風速シアの影響を受けます。 工学的目的のために、べき乗則の風速プロファイルは次のように定義できます。^{[ 5 ] [ 6 ]}

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

どこ：

${\displaystyle \ v_{z}}$＝その高度における風速${\displaystyle \ z}$

${\displaystyle \ v_{g}}$= 勾配高度における勾配風$\displaystyle \ z_{g}}$

${\displaystyle \ \alpha }$= 指数係数

一般的に、建物は50年以上といった非常に長い再現期間を持つ強風に耐えられるように設計されています。設計風速は、極値理論を用いて過去の記録から将来の最大風速を予測することで決定されます。風速は通常、地域ごとの設計基準に基づいて計算されます。建物の風荷重に関する設計基準には、以下のようなものがあります。

• オーストラリア向けAS 1170.2
• 欧州向けEN 1991-1-4
• カナダ向けNBC

高層タワーマンションの出現は、これらの建物が近隣の歩行者に及ぼす風害に関する懸念を引き起こした。

1971年以降、歩行者のさまざまな活動に基づいて、風の快適性や風の危険性に関する多くの基準が開発されました。例えば、次のとおりです。^{[ 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、風の環境が全く容認できない、あるいは危険であると分類された。

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、よく知られている効果がいくつかある。^{[ 8 ] [ 9 ]}

• コーナージェットとも呼ばれるコーナーストリームは、建物の角を回り込むように設置されます。
• 建物内の通路、または2つの建物の間の狭い隙間で圧力の短絡によって発生する、通路ジェットとも呼ばれる貫通流
• 建物の後方で発生する渦放出

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、境界層風洞で適切な縮尺のモデルを使用する方法や、最近では計算流体力学 技術の使用が増加しています。^{[ 10 ]}特定の超過確率に対する歩行者レベルの風速を計算して、地域の風速統計を可能にします。^{[ 11 ]}

これらの研究で使用される垂直風プロファイルは、建物の周辺の地形（風向によって異なる場合がある）に応じて変化し、多くの場合、次のようなカテゴリに分類されます。^{[ 12 ]}

• 障害物がほとんどまたは全くない開けた地形と、運用可能な風速における水面。
• 水面、開けた地形、草地で、高さが一般的に1.5～10mの障害物が少なく、よく散在している。
• 住宅街など、高さ3～5mの障害物が密集している地形。
• 都市中心部や高度に発達した工業団地など、高さ10～30mの大型で密集した障害物が多数存在する地形。

風力タービンは風速シアの影響を受けます。垂直方向の風速プロファイルにより、地面に近いブレードの風速はブレード移動の最上部の風速と異なり、これがタービンの動作に影響を与えます。^{[ 13 ]}風速勾配は、ブレードが垂直なときに2枚羽根のタービンのシャフトに大きな曲げモーメントを発生させる可能性があります。^{[ 14 ]}水上では風速勾配が小さくなるため、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、風速の高さによる変化はしばしばべき乗則で近似されます。^{[ 13 ]}

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

どこ：

${\displaystyle \ v_{w}(h)}$＝その高さにおける風速${\displaystyle h}$[MS]

${\displaystyle \ v_{ref}}$＝ある基準高度における風速${\displaystyle h_{ref}}$[MS]

${\displaystyle \ a}$= ヘルマン指数（別名：べき乗指数またはせん断指数）（中性流では約1/7ですが、1を超える場合もあります）

風工学の知識は、高層ビル、ケーブル吊橋、斜張橋、送電塔、通信塔、その他あらゆる種類の塔や煙突の解析と設計に用いられます。多くの高層ビルの解析において風荷重は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、すべての長大ケーブル橋の解析と設計においても、風荷重は支配的な荷重となります。

• ハリケーン対策工学
• ジョン・トゥイデル
• 振動制御
• 風洞試験
• 世界風力エネルギー協会
• 減衰
• アラン・G・ダベンポート

• Blocken, Bert (2014). "50 years of Computational Wind Engineering: Past, present and future" . Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics . 129 : 69–102 . Bibcode : 2014JWEIA.129...69B . doi : 10.1016/j.jweia.2014.03.008 .
• Baker, CJ (2007). "風力工学―過去、現在、未来" . Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics . 95 ( 9– 11): 843– 870. Bibcode : 2007JWEIA..95..843B . doi : 10.1016/j.jweia.2007.01.011 .

• 「高層ビルが風をいかに制御するか」。B1M 。 2018年9月12日。 2021年12月15日にYouTube経由でオリジナルからアーカイブされました。