Topology optimization of solar thermal receiver for converting carbon dioxide into fuel
| Project/Area Number |
22KF0117
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| Project/Area Number (Other) |
22F22369 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 外国 |
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| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
長谷川 洋介 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30396783)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
LIU MING 東京大学, 生産技術研究所, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥200,000 (Direct Cost: ¥200,000)
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| Keywords | 太陽集熱器 / ふく射-熱伝達-熱伝導連成解析 / 境界埋め込み法 / 形状最適化 |
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| Outline of Research at the Start |
太陽集熱器多孔質内部の流れ場、温度場、ふく射の連成解析のためのコード開発を行い、デカルト座標系に複雑形状を埋め込み、統一的なコードを用いて上記の複雑熱流動現象のシミュレーションコードを開発する。開発されたコードをベースに随伴解析に基づく形状最適化のためのアルゴリズムを開発し、第一段階として、圧力損失を抑えつつ、伝熱を最大化する形状最適化を行う。次に、開発されたコードをふく射伝熱へと発展させ、多孔質内部の固体内熱伝導、対流熱伝達、ふく射までを考慮した上で、形状最適化を行うコードの開発を行う。最終的には得られた最適構造を試作し、新潟大学と協働してその集熱性能を実証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、太陽光を集熱し、得られる高温環境下において炭酸ガスを熱化学分解することにより、水素や炭化水素などの燃料生成を目的としている。その総合効率向上において、太陽集熱器の 高効率化が鍵である。通常、集熱器には多孔質材料が用いられており、内部のふく射、熱伝導、対流熱伝達を考慮した多孔質形状の最適化が求められる。 本研究では、境界埋め込み法に基づく、ふく射、熱伝導、対流熱伝達の連成解析コードを開発し、さらに随伴解析を用いて形状最適化を行うフレームワークを提案する。得られた最適形状を試作し、受入研究室における熱交換器評価用風洞実験、および新潟大学が管理するソーラーシミュレーター実験装置において、その伝熱・集熱効率を実験的に実証する。
令和4年度は、太陽集熱器多孔質内部の流れ場、温度場、ふく射の連成解析のために、デカルト座標系に複雑形状を埋め込み、流れと伝熱を統一的に扱うためのアルゴリズムを開発し、これのコード化および検証を完了した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和4年度は、太陽集熱器多孔質内部の流れ場、温度場、ふく射の連成解析のためにデカルト座標系に複雑形状を埋め込み、流れと伝熱を統一的に扱うためのアルゴリズムを開発し、これのコード化および検証を目的としていたが、これらを全て完了し、当初令和5年度に実施予定であった形状最適化のアルゴリズム開発にもすでに着手していることから、計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度までに、複雑形状におけるふく射、熱伝導、対流伝熱を統一的に扱うソルバーの開発を完了しており、今後は、このコードに形状最適化のアルゴリズムを実装し、その有効性を確認する。対流伝熱を考慮した形状最適化については、受入研究室が管理する熱交換器評価用風洞を用いて、開発したアルゴリズムの有効性を実証する。また、ふく射伝熱を含めた形状最適化については、新潟大学と協働し、同大学が管理するソーラーシミュレータを用いて本研究で開発したアルゴリズムの検証を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
