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

－ － JARI Research Journal (2013.7)

1

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)

－ － JARI Research Journal (2013.7)

2

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 10

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 10

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 10

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 10 200

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 10 200

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 10 200

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

－ － JARI Research Journal (2013.7)

3

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

[Ope

nFO

AMベースモデル

] (m

/s)

R2=0.936

Fig. 6 気流速度の相関

－ － JARI Research Journal (2013.7)

4

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

(a) 排出量分布

－ － JARI Research Journal (2013.7)

5