AI aided turbulent combustion modeling based on advanced laser diagnostics and direct numerical simulation data science

• Project/Area Number: 20H00224
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 店橋 護 東京工業大学, 工学院, 教授 (40242276)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 志村 祐康 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (30581673) ; 源 勇気 東京工業大学, 工学院, 助教 (70769687)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥45,370,000 (Direct Cost: ¥34,900,000、Indirect Cost: ¥10,470,000); Fiscal Year 2023: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2022: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000); Fiscal Year 2021: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2020: ¥19,370,000 (Direct Cost: ¥14,900,000、Indirect Cost: ¥4,470,000)
• Keywords: 乱流燃焼 / レーザ計測 / 直接数値計算 / AI支援モデリング / データサイエンス

Outline of Research at the Start

地球・都市環境問題を解決するために，各種燃焼器には更なる高効率化と低環境負荷化が求められている．短期間・低コストで高効率・低環境負荷燃焼器を開発するには，数値解析の積極的な利用が期待されているが，その予測精度は採用された乱流燃焼モデルに大きく依存するため，より高精度な乱流燃焼モデルの開発が必要である．本研究では，乱流燃焼のLarge Eddy Simulationのための物理数学モデルとして乱流燃焼モデルと火炎・壁面干渉熱伝達モデルを構築し，それらのモデルパラメータ同定において大規模DNS及び先端レーザ計測データを基盤とする深層学習等のAI技術を導入することで高精度AI支援モデルを構築する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，乱流燃焼のLarge Eddy Simulation(LES)のための物理数学モデルとして乱流燃焼モデルと火炎・壁面干渉熱伝達モデルを構築し，それらのモデルパラメータ同定において大規模直接数値計算(DNS)及び先端レーザ計測データを基盤とする深層学習等のAI技術を導入することで高精度AI支援モデルを構築する．令和5年度は，これまで開発してきたAI支援乱流燃焼モデル(AI支援FDSGSモデル)とAI支援壁面干渉熱伝達モデルのそれぞれをさらに高精度化することに重点をおいて研究を行った．AI支援FDSGSモデルの高精度化では，これまで開発した火炎面のインナーカットオフを決定するAI支援モデルに加えて局所フラクタル次元を簡易的に与えるAI支援モデルの構築を行った．学習には現有の乱流噴流予混合火炎，定容容器内乱流予混合火炎等のDNSデータを使用した．火炎面のフラクタル次元とインナーカットオフを局所的に与えるAI支援モデルを現有のLESコードに実装し、DNS結果との比較からAI支援乱流燃焼モデルの精度を検証した．AI支援壁面干渉熱伝達モデルの高精度化では，開発したHead on quenchingとSide wall quenchingが混在する乱流火炎と壁面の干渉に対するAI支援火炎・壁面干渉熱伝達モデルにおける入力物理量に壁面と火炎面のなす角を追加することで更なる高精度化を実現した．また，メタンを対象とした定容容器内乱流予混合火炎の三次元DNSを実施し，それらの詳細な解析から火炎・壁面干渉における三次元効果を明らかにするとともに，三次元効果を表現可能な入力物理量の選定を行った．最終的に，定容容器内のメタン・空気乱流予混合火炎を対象としてAI支援火炎・壁面干渉熱伝達モデルの総合評価を行った．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of thermally assisted OH PLIF temperature measurement method based on a single femtosecond laser (2024)
  • Author(s): Huang Sibo、Shimura Masayasu、Tanahashi Mamoru
  • Journal Title: Applied Physics B Volume: 130 Issue: 4 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1007/s00340-024-08199-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Machine Learning Model for Wall Heat Flux in Flame-wall Interaction (2023)
  • Author(s): Kaminaga T.、Wang Y.、Tanahashi Mamoru
  • Journal Title: Proc.10th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer Volume: 1 Pages: 353-356
  • DOI: 10.1615/ichmt.thmt-23.1270
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Direct Numerical Simulation Study for Flame Structure and Propagation Characteristics of Multi-Jet Flames (2023)
  • Author(s): Kiran D.、Minamoto Y.、Osawa K.、Shimura M.、Tanahashi M.
  • Journal Title: Combustion Science and Technology Volume: 1 Issue: 18 Pages: 1-25
  • DOI: 10.1080/00102202.2023.2249220
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quenching modes of local flame-wall interaction for turbulent premixed methane combustion in a constant volume vessel (2023)
  • Author(s): Wang Ye、Minamoto Yuki、Shimura Masayasu、Tanahashi Mamoru
  • Journal Title: Combustion Theory and Modelling Volume: 27 Issue: 6 Pages: 715-735
  • DOI: 10.1080/13647830.2023.2209047
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 乱流燃焼シミュレーションと機械学習活用 (2022)
  • Author(s): 源勇気， 店橋護
  • Journal Title: 伝熱= Journal of the Heat Transfer Society of Japan Volume: 61 Pages: 33-39
• [Journal Article] Effect of Steam Dilution on the Structure and Stabilization of Lifted Flames of Hydrogen (2022)
  • Author(s): Defne KIRAN, Yuki MINAMOTO, Masayasu SHIMURA, Mamoru TANAHASHI
  • Journal Title: 日本燃焼学会誌 Volume: 64 Pages: 80-91
  • NAID: 130008131294
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of flame-flame interaction on scalar PDF in turbulent premixed flames (2022)
  • Author(s): Yuki Minamoto, Kherlen Jigjid, Rentaro Igari, Mamoru Tanahashi
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 239 Pages: 111660-111660
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prediction of Local Kolmogorov Length Scale Using Deep Neural Network in a Combustion LES Context (2022)
  • Author(s): 南 啓伸 , 源 勇気 , 志村 祐康 , 店橋 護
  • Journal Title: The 32nd International Symposium on Transport Phenomena Volume: 1 Pages: 1-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Turbulence Intensity on Flame-wall Interactions of Turbulent Premixed Flame in an Enclosed Rectangular Domain (2022)
  • Author(s): Ye Wang , Yuki Minamoto , Masayasu Shimura , Mamoru Tanahashi
  • Journal Title: The 32nd International Symposium on Transport Phenomena Volume: 1 Pages: 1-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Introduction to Turbulent Combustion Modelling Based on Machine Learning (2021)
  • Author(s): 源 勇気、店橋 護
  • Journal Title: Journal of the Combustion Society of Japan Volume: 63 Issue: 203 Pages: 37-43
  • DOI: 10.20619/jcombsj.63.203_37
  • NAID: 130008007473
  • ISSN: 1347-1864, 2424-1687
  • Year and Date: 2021-02-15
• [Journal Article] A derivation of temperature-based energy equation for LES of isochoric turbulent combustion with FDSGS model (2021)
  • Author(s): Fuse Azusa、Yamada Rie、Minamoto Yuki、Shimura Masayasu、Tanahashi Mamoru
  • Journal Title: Combustion Theory and Modelling Volume: 25 Issue: 7 Pages: 1324-1351
  • DOI: 10.1080/13647830.2021.1976422
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 高精度SGS燃焼モテルのための局所コルモコロフ・スケールAI予測 (2021)
  • Author(s): 南 啓伸、源 勇気、志村 祐康、店橋 護
  • Journal Title: ながれ Volume: 40 Pages: 119-122
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Voronoi analysis of vortex clustering in homogeneous isotropic turbulence (2021)
  • Author(s): Osawa K.、Minamoto Y.、Shimura M.、Tanahashi M.
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 33 Issue: 3 Pages: 035138-035138
  • DOI: 10.1063/5.0039850
  • Peer Reviewed
• [Presentation] SI エンジンにおける壁面近傍流動と壁面熱流束 (2023)
  • Author(s): 雨宮 壮一, 店橋 護, 志村 祐康, 鎌田 慎
  • Organizer: 第60回日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] 水素酸素デュアル・スワール部分予混合燃焼のDNS (2023)
  • Author(s): 住友 啓允, 志村 祐康, 店橋 護
  • Organizer: 第60回日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] デュアルスワールバーナに形成される部分予混合乱流火炎に対する当量比及び流量比の影響 (2023)
  • Author(s): 谷本 一騎，齋田 瑛希，志村 祐康，鈴木 佐夜香，店橋 護
  • Organizer: 日本流体力学会年会2023
• [Presentation] デュアルスワールバーナに形成される非予混合 乱流火炎の OH PLIF 計測 (2023)
  • Author(s): 齋田 瑛希, 谷本 一騎, 志村 祐康, 鈴木 佐夜香, 店橋 護
  • Organizer: 熱工学コンファレンス2023
• [Presentation] 火炎壁面干渉における火炎挙動と壁面熱流束特性に関する実験的研究 (2023)
  • Author(s): 谷口 明広，中別府 修，鈴木 佐夜香，店橋 護
  • Organizer: 第61回燃焼シンポジウム
• [Presentation] HOQ型火炎壁面干渉におけるCO挙動に対する熱損失効果 (2023)
  • Author(s): 神永 拓輝，鈴木 佐夜香，店橋護
  • Organizer: 第61回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 水素空気デュアル・スワール部分予混合燃焼のDNS (2023)
  • Author(s): 住友 啓允，王 也，鈴木 佐夜香，志村 祐康，店橋 護
  • Organizer: 第37回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] Augmentation for Turbulent Combustion Modelling by using PCA-GAN (2023)
  • Author(s): Tota Kobayashi, Mamoru Tanahashi
  • Organizer: 18th European Turbulence Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Machine Learning Model for Wall Heat Flux in Flame-wall Interaction (2023)
  • Author(s): Kaminaga T., Wang Y., Tanahashi M.
  • Organizer: 10th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local quenching distance and local quenching-induced wall heat flux of V-shape flame in a turbulent channel flow (2023)
  • Author(s): Ye Wang, M. Tanahashi
  • Organizer: The 9th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of near-wall flame structure and flame-wall interaction of turbulent premixed combustion in a constant volume vessel (2023)
  • Author(s): Ye Wang, Masayasu Shimura, Mamoru Tanahashi
  • Organizer: 33rd International Symposium on Transport Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Prediction of Local Kolmogorov Length Scale Using Deep Neural Network in a Combustion LES Context (2022)
  • Author(s): 南 啓伸 , 源 勇気 , 志村 祐康 , 店橋 護
  • Organizer: The 32nd International Symposium on Transport Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Turbulence Intensity on Flame-wall Interactions of Turbulent Premixed Flame in an Enclosed Rectangular Domain (2022)
  • Author(s): Ye Wang , Yuki Minamoto , Masayasu Shimura , Mamoru Tanahashi
  • Organizer: The 32nd International Symposium on Transport Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNS and SGS Modeling of Turbulent Combustion for Future IC Engines and Gas Turbines (2022)
  • Author(s): Mamoru Tanahashi
  • Organizer: China National Symposium on Combustion, 2022
  • Invited
• [Presentation] 局所コルモゴロフスケールAI予測に基づいたSGS燃焼モデルの開発 (2022)
  • Author(s): 南 啓伸, 源 勇気, 志村 祐康, 店橋 護
  • Organizer: 日本機械学会 熱工学コンファレンス2022
• [Presentation] Numerical study of near-wall flame propagation and flame-wall interaction for lean premixed turbulent combustion in a constant volume vessel (2022)
  • Author(s): Ye Wang，Yuki Minamoto，Masayasu Shimura，Mamoru Tanahashi
  • Organizer: 第60回 燃焼シンポジウム
• [Presentation] 機械学習による火炎壁面干渉における壁面熱損失の予測 モデル構築 (2022)
  • Author(s): 神永 拓輝, 源 勇気, 志村 祐康, 店橋 護
  • Organizer: 第59回 日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] Effect of Turbulence Intensity on Flame-wall Interactions of Turbulent Premixed Flame in an Enclosed Rectangular Domain (2022)
  • Author(s): Y. Wang, Y. Minamoto, M. Shimura, M. Tanahashi
  • Organizer: 32nd International Symposium on Transport Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HOQ型火炎壁面干渉における壁面熱損失の機械学習モデル (2021)
  • Author(s): 神永拓輝，源 勇気，志村 祐康，店橋 護
  • Organizer: 熱工学コンファレンス2021
• [Presentation] 異なる乱流燃焼条件に適用可能な局所コルモゴロフスケール AI 予測 (2021)
  • Author(s): 南啓伸，源 勇気，志村 祐康，店橋 護
  • Organizer: 日本流体力学会年会2021
• [Presentation] Local Fractal Dimension Prediction of Turbulent Premixed Flame by Machine Learning (2021)
  • Author(s): R. Matsushima, M. Shimura, Y. Minamoto, M. Tanahashi
  • Organizer: The Second Asian Conference on Thermal Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNS and Advanced Laser Diagnostics of Steam-Diluted Hydrogen-Oxygen Combustion for Future Electric Power Generation (2021)
  • Author(s): M. Tanahashi
  • Organizer: 13th Asia-Pacific Conference on Combustion
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高精度SGS燃焼モテルのための局所コルモコロフ・スケールAI予測 (2020)
  • Author(s): 南 啓伸、源 勇気、志村 祐康、店橋 護
  • Organizer: 第34回数値流体力学シンポジウム