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運動量輸送と熱輸送の非相似性の最大化

Research Project

Project/Area Number 16J00685
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Fluid engineering
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

本木 慎吾  大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2016-04-22 – 2018-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2017)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords変分法 / 伝熱促進 / クエット流 / レイリー・ベナール対流 / 熱輸送 / 平行平板間クエット流
Outline of Annual Research Achievements

昨年度に引き続き,一定の温度差を有する平行平板間クエット流を対象に,非圧縮性と温度の移流拡散方程式の制約の下でエネルギー散逸に対するスカラー散逸の超過を最大化する最適な速度場を求め,Journal of Fluid Mechanics誌において「Optimal heat transfer enhancement in plane Couette flow」と題した論文を発表した.この論文において述べる主な知見は以下の3つである.(1)乱流よりも顕著に高い熱輸送を実現しながらもより低いエネルギー散逸を示す最適な速度場が3次元平行平板間クエット流において存在する.(2)アンチサイクロニック渦(平均流渦度と反対符号のスパン方向渦度をもつようにスパン方向に傾く縦渦)が効果的な伝熱促進を実現し得る.(3)3次元の階層的な自己相似渦構造が熱輸送最大化において重要な役割を担う.特に,アンチサイクロニック渦に関し,速度場が非定常ナビエ・ストークス方程式に従い時間発展する場合にも顕著な伝熱促進を示すことを数値実験により実証することができた.
また,クエット流に対する研究において開発した数値最適化手法を一定の温度差を有する互いに静止した平行平板間の定常な速度場に応用し,一定のエネルギー散逸の下で壁面熱流束を最大化する速度場を数値的に求めることにも成功した.この研究において得られた主な知見は以下の3つである.(1)レイリー・ベナール対流における壁面熱流束に対する最大スケーリングを示す最適な速度場が存在する.(2)最適な速度場は大スケールの対流セル構造と壁近傍の階層的な小スケールの自己相似渦構造によって構成される3次元の速度場である.(3)熱輸送最大場における平均温度分布は壁近傍において対数分布を示す.
最適状態から得られたこれらの知見が新たな流体制御手法の開発の指針となると期待される.

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2018 2017 2016

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Optimal heat transfer enhancement in plane Couette flow2018

    • Author(s)
      Shingo Motoki, Genta Kawahara, Masaki Shimizu
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: 835 Pages: 1157-1198

    • DOI

      10.1017/jfm.2017.779

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 変分法を用いた壁面間熱輸送の最適化2018

    • Author(s)
      本木慎吾
    • Organizer
      大阪大学数理・データ科学教育研究センター数値シミュレーション入門セミナー有限要素法ソフトウェアFreefem++講習会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Hierarchical structures and scaling in maximal heat transfer between two parallel plates2018

    • Author(s)
      Motoki Shingo、Kawahara Genta、Shimizu Masaki
    • Organizer
      Workshop on Fundamental Aspects of Geophysical Turbulence III
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Optimization of heat transfer enhancement in plane Couette flow2017

    • Author(s)
      Motoki Shingo、Kawahara Genta、Shimizu Masaki
    • Organizer
      Turbulence and Shear Flow Phenomena 10
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Maximal heat transfer between two parallel plates2017

    • Author(s)
      Motoki Shingo、Kawahara Genta、Shimizu Masaki
    • Organizer
      Bifurcations and Instabilities in Fluid Dynamics
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dissimilarity between momentum and heat transfers in turbulent channel flow at high Reynolds numbers2017

    • Author(s)
      Miyawaki Motohiro、Kawahara Genta、Shimizu Masaki、Motoki Shingo
    • Organizer
      Thermal and Fluids Engineering Conference 9
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 熱輸送最大状態における階層的渦構造2017

    • Author(s)
      本木慎吾、 河原源太、 清水雅樹
    • Organizer
      日本流体力学会年会2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 平行平板間における熱輸送最大化2017

    • Author(s)
      本木慎吾、 河原源太、 清水雅樹
    • Organizer
      RIMS共同研究(公開型)「非一様乱流の数理」
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 熱輸送最大場における渦の階層構造2017

    • Author(s)
      本木慎吾、 清水雅樹、河原源太
    • Organizer
      大気境界層乱流ミニワークショップ
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Optimization of forced convection heat transfer by using a variational method2016

    • Author(s)
      Shingo Motoki, Genta Kawahara, Masaki Shimizu
    • Organizer
      European Fluid Mechanics Conference 11
    • Place of Presentation
      スペイン, セビリア
    • Year and Date
      2016-09-12
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 変分原理を用いた強制対流熱伝達の最適化2016

    • Author(s)
      本木慎吾, 河原源太, 清水雅樹
    • Organizer
      日本機械学会2016年度年次大会
    • Place of Presentation
      九州大学
    • Year and Date
      2016-09-11
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Optimization of heat transfer enhancement in wall-bounded shear flow2016

    • Author(s)
      Shingo Motoki, Genta Kawahara, Masaki Shimizu
    • Organizer
      Dynamics of wall-bounded shear flows
    • Place of Presentation
      関西セミナーハウス
    • Year and Date
      2016-08-31
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimization of Heat Transfer in Plane Couette Flow2016

    • Author(s)
      Genta Kawahara, Shingo Motoki, Masaki Shimizu
    • Organizer
      International Conference on Continuous Optimization 2016
    • Place of Presentation
      政策研究大学院大学
    • Year and Date
      2016-08-06
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimal heat transfer enhancement in wall-bounded shear flow2016

    • Author(s)
      Shingo Motoki, Genta Kawahara, Masaki Shimizu
    • Organizer
      International Workshop on Theoretical Aspects of Near-Wall Turbulence Studies
    • Place of Presentation
      関西セミナーハウス
    • Year and Date
      2016-06-28
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Upper bound for heat transfer in plane Couette flow2016

    • Author(s)
      Shingo Motoki, Masaki Shimizu, Richard R. Kerswell, Genta Kawahara
    • Organizer
      International Symposium on Near-Wall Flows: Transition and Turbulence
    • Place of Presentation
      京都大学益川ホール
    • Year and Date
      2016-06-20
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 平行平板間流れにおける最適熱輸送2016

    • Author(s)
      本木慎吾, 清水雅樹, 河原源太
    • Organizer
      第53回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      グランキューブ大阪
    • Year and Date
      2016-05-24
    • Related Report
      2016 Annual Research Report

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Published: 2016-05-17   Modified: 2024-03-26  

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