技術 / テクニカルガイド

風力での空気密度：温度、圧力と湿度

風速は運動を表し、空気密度は体積を占める質量を表します。温度、圧力、組成は、気体状態モデルを通じてこれらの量を結び付けます。湿度は組成と大気測定値の意味の両方を変えます。

同じ運動を、異なる空気の状態で比較する。

密度を比較する際は、一定に保つ量を特定する必要があります。圧力一定での温度変化と、温度一定での圧力変化は異なり、どちらだけでも発電機の運転点を再現することはできません。

01 / 状態変数

質量密度ρは質量を体積で割った量で、単位はkg/m³です。

質量密度ρは質量を体積で割った量で、単位はkg/m³です。静圧、絶対温度、気体組成が対応する状態を表します。NASAの空気特性の概要は、これらの性質と移動する空気の速度を区別しています。

したがって、報告された密度は、高度や風速の別名ではありません。同じ速度で移動する二つの空気塊でも、単位体積当たりの質量は異なり得ます。同様に、一つの空気塊の密度がほぼ同じでも、方向と速度が変わる場合があります。

02 / 圧力

理想気体の記述では、ρ = p/(Rspec T) であり、p は絶対圧力、T は絶対温度、Rspec は J/(kg K) で表す気体固有の定数です。

理想気体の記述では、ρ = p/(Rspec T) であり、p は絶対圧力、T は絶対温度、Rspec は J/(kg K) で表す気体固有の定数です。任意の基準に対するゲージ圧力は、換算せずに p の代わりにはできません。

この式は熱力学的な関係を表し、実際の湿り空気が完全な理想気体であると主張するものではありません。温度と組成を一定にすると、このモデルでは絶対圧力が10%低ければ密度も10%低くなります。同時にほかの量が変わる場合は、それぞれの項が必要です。

03 / 温度

同じ理想気体モデルで圧力と組成が一定なら、密度は絶対温度に反比例します。

同じ理想気体モデルで圧力と組成が一定なら、密度は絶対温度に反比例します。摂氏温度のゼロは熱力学的なゼロではないため、摂氏の値を直接比較すると比を誤ります。

300 Kから315 Kへの架空の比較では、密度比は300/315、約0.9524です。示した制約の下で4.76%の低下に相当します。風車が供給する電力も同じ割合で変化するという予測ではありません。

04 / 水蒸気

水蒸気のモル質量は乾燥空気の混合物より小さい値です。

水蒸気のモル質量は乾燥空気の混合物より小さい値です。全圧と温度を同じにして、乾燥空気の分子の一部を水分子に置き換えると、混合物の密度は低下します。この比較は、一定体積内の乾燥空気分子を全て残したまま、水の質量を加えることではありません。

NISTが公開するCIPMの湿り空気に関する論文は、水蒸気のモル分率と圧縮係数を明示的に含めています。相対湿度は、指定温度での飽和状態に対する割合です。水蒸気のモル分率そのものでも、密度の割合でもありません。

05 / 質量流量

指定面積に垂直な一様流では、質量流量はρAUです。

指定面積に垂直な一様流では、質量流量はρAUです。密度だけが変われば、この量は比例して変わります。動圧にも密度が含まれますが、速度に対しては一次ではなく二乗で依存します。この点は圧力ガイドで説明されています。

回転するブレードには、さらに局所的な相対流が生じます。密度は、形状や流れの状態とともにその空力計算に影響します。密度比だけでは、係数の変化、制御応答、変換損失、電気的な運転限界を考慮し切れません。

06 / 条件

基準大気、測定状態、湿り空気の近似は、目的が異なります。

基準大気、測定状態、湿り空気の近似は、目的が異なります。入力と有効範囲を明示する必要があります。使いやすい標準密度は基準の選択であり、実際の条件が常に一致する証拠ではありません。

このページは、MARSTONの気候上の使用範囲や出力補正曲線を定めていません。目的は空気の状態を説明することです。空間平均のガイドが、ローター上の非一様な速度場の表し方を扱います。

一般的な背景情報： NASA Glenn：気体の状態特性と密度 · NISTが公開する湿り空気密度に関するCIPMの原論文。これらの参考資料は業界の考え方を説明するものであり、適用するMARSTONの製品資料やプロジェクト資料とは別のものです。

各量を、その基準、単位、明示された条件と一緒に読んでください。一般的な関係から、特定モデルの値が確定するわけではありません。