機械学習を活用した決定論的応力モデルの構築と流体最適設計への応用
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21K03869
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Iwate University |
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Principal Investigator |
山田 和豊 岩手大学, 理工学部, 准教授 (00344622)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 数値解析 / 非定常効果 / 流体最適設計 / 機械学習 / 決定論的応力 |
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| Outline of Research at the Start |
流体設計では様々な性能要求に応えるため高度な技術が要求され，流体設計には数値解析が積極的に応用されており，欠かせない重要な設計技術である．ターボ機械の本質は非定常性にあるが，今日の流体設計の数値解析は定常流れ場に基づいており，非定常効果を取り入れた流体設計は実現されていない．非定常性を考慮した流体設計技術の開発が実現されることで，設計空間の拡大や信頼性の向上，さらには新しい概念の流体機械の開発など，流体設計の革新へと繋がることが期待される．本研究では，機械学習を応用し，非定常効果を決定論的応力によりモデル化することで，非定常効果を考慮した真の流体最適設計技術の開発を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
流体設計では様々な性能要求に応えるため高度な技術が要求される．数値流体解析は，解析手法の成熟に伴い様々なソフトウェアが提供されており，積極的に流体設計に応用されるとともに，欠かせない重要な設計技術のひとつとなっている．また，ターボ機械の本質は非定常性にあることから，近年，計算機性能の進歩と相俟って，非定常流れ場の解析が行われるようになってきている．しかしながら，得られた知見や非定常解析技術それ自体を設計に応用することはできておらず，今日の数値解析を応用した流体設計は定常流れ解析に基づいており，非定常効果を取り入れた流体設計は実現されていない．さらに最近では，流体設計に最適化手法を導入した流体最適設計も行われるようになってきた．しかし，前述のとおり，流体解析手法は定常流れ計算に基づいており，真の最適解を見出すことは原理的に不可能であると考えられる．非定常性を考慮した流体設計技術の開発が実現されることで，設計空間の拡大や信頼性の向上，さらには新しい概念の流体機械の開発など，流体設計の革新へと繋がることが期待される．本研究では，真の最適設計を実現するために，機械学習を活用した決定論的応力モデルの構築し，非定常効果を考慮した流体設計技術を開発する．はじめに，決定論的応力により非定常効果をモデル化するにあたり，非定常効果が顕著であると考えられる羽根付きディフューザを有する遷音速遠心圧縮機を解析対象に非定常RANS計算を実施した．解析結果から，決定論的応力の評価を実施するとともに，非定常効果に対応する非定常流動現象の解明を行った．さらに，非定常RANS計算結果から決定論的応力を評価し非定常効果のモデル化を実施した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度は，非定常効果をモデル化するにあたり，非定常効果の指標として決定論的応力を用いることで非定常効果の定量化を実施した．解析対象は，非定常効果が顕著であると考えられる羽根付きディフューザを有する遷音速遠心圧縮機とした．過去の研究から，高負荷圧縮機ほど，動静翼干渉による非定常性の影響が強く，性能予測が難しいことが知られる．設計流量点について，圧縮機全周の非定常RANS解析を実施するとともに，従来設計で採用されるMixing plane法を用いた一流路定常RANS解析があわせて実施された．定常RANS解析結果および非定常RANS解析結果を比較することにより，非定常効果による性能差を確認した．非定常効果である決定論的応力を非定常RANS解析の結果から後処理により評価した．今年度は，非定常効果として抽出された決定論的応力をモデル化し，定常計算に導入することで予測精度の評価を実施した．決定論的応力モデルを導入した定常計算から得られた結果を，非定常RANS解析の時間平均結果と比較した．非定常RANS解析では流れ場の非定常性により付加的なエントロピー生成が生じており，それは決定論的応力の分布に対応することが明らかにされたが，決定論的応力モデルを導入した解析では付加的なエントロピー生成はみられたものの，非定常RANS解析の時間平均結果とは一致しないことがわかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに，流れ場の非定常性により生じる付加的なエントロピー生成は，決定論的応力の分布に対応することが明らかにされている．しかしながら，決定論的応力モデルを導入した解析が非定常RANS解析の時間平均結果を十分に予測できていないことが判明した．決定論的応力を導入した定常計算にはいくつかの方法が考えられるため，それぞれの方法で解析を実施し，予測精度を評価する．一方で，計算条件を変更して，より負荷の高い非設計点流量での計算，および非設計回転数での計算を実施し，非定常効果の違いを調査するとともに，決定論的応力の評価を実施する．また，決定論的応力が付加的なエントロピーを生成させていることに基づき，非定常効果のモデル化について，決定論的応力を直接予測するのではなく，乱流モデルと同様に渦粘性近似により輸送方程式を解く手法なども検討する．
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
