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2015 Fiscal Year Annual Research Report

マイクロ流路デバイスの最適流路創成設計を目的としたトポロジー最適化

Research Project

Project/Area Number 14J02008
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

矢地 謙太郎  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2014-04-25 – 2016-03-31
Keywords構造最適化 / トポロジー最適化 / 数値流体力学 / 格子ボルツマン法 / マイクロ流路 / ヒートシンク / マイクロリアクタ
Outline of Annual Research Achievements

本年度は、種々の流路デバイスの抜本的な性能向上、あるいは革新的な流路構造の創成を目的として、熱と流体のマルチフィジックスを考慮したヒートシンクの熱交換性能最大化問題、および異なる不混和性の溶媒を利用した液液抽出マイクロ流路の抽出性能最大化問題を対象としたトポロジー最適設計法に関する研究を行った。これらの研究では、前年度までに構築した流体場と随伴場の解析に格子ボルツマン法を用いる感度解析手法を導入することで、設計感度を効率的かつ正確に算出可能な最適化アルゴリズムを開発した。まず、ヒートシンクのトポロジー最適設計法では、熱交換性能最大化と、圧力損失の最大値を規定する制約条件により最適化問題を定式化し、数値例により提案手法の妥当性を検証した。その結果、幾何学的に複雑な流路構造が得られることを確認している。また、二相流を扱う流路デバイスのトポロジー最適設計法では、液液抽出を移流拡散方程式に帰着させる方法と、二相流の界面を捕捉するためのフェーズフィールド法とを組み合わせて最適化問題を定式化し、格子ボルツマン法により液液抽出と二相流を同時に解析する最適化アルゴリズムを構築した。数値例により提案手法の妥当性と有効性を検証した結果、液液抽出が十分に完了するように、従来から使用されているような波状の流路形状が最適解として得られることを確認している。また、圧力損失の最大値を規定するパラメータを変更することにより、圧力損失と抽出性能の相反関係を考慮しながら液液抽出マイクロ流路の最適設計を行うことが可能であることがわかった。なお、これらの研究成果は、国内外の主要な学術論文に6報掲載されている。本研究の研究成果により、これまでにない画期的な流路デバイスの新たな創成設計法の確立が今後期待できる。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (11 results)

All 2016 2015

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Topology optimization in thermal-fluid flow using the lattice Boltzmann method2016

    • Author(s)
      Kentaro Yaji, Takayuki Yamada, Masato Yoshino, Toshiro Matsumoto, Kazuhiro Izui, Shinji Nishiwaki
    • Journal Title

      Journal of Computational Physics

      Volume: 307 Pages: 355,377

    • DOI

      10.1016/j.jcp.2015.12.008

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Shape and topology optimization based on the convected level set method2016

    • Author(s)
      Kentaro Yaji, Masaki Otomori, Takayuki Yamada, Kazuhiro Izui, Shinji Nishiwaki, Olivier Pironneau
    • Journal Title

      Structural and Multidisciplinary Optimization

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1007/s00158-016-1444-z

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 誘起電荷電気浸透流を用いたマイクロポンプを対象としたレベルセット法に基づくトポロジー最適化2016

    • Author(s)
      田中隆太、矢地謙太郎、佐藤綾美、泉井一浩、山田崇恭、西脇眞二
    • Journal Title

      日本機械学会論文集

      Volume: 82 Pages: ー

    • DOI

      10.1299/transjsme.15-00406

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 有限体積法を用いたレベルセット法に基づく非圧縮性粘性流れのトポロジー最適化2015

    • Author(s)
      古口敦士、矢地謙太郎、山田崇恭、泉井一浩、西脇眞二
    • Journal Title

      日本計算工学会論文集

      Volume: 15 Pages: ー

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A topology optimization method for a coupled thermal-fluid problem using level set boundary expressions2015

    • Author(s)
      Kentaro Yaji, Takayuki Yamada, Seiji Kubo, Kazuhiro Izui, Shinji Nishiwaki
    • Journal Title

      International Journal of Heat and Mass Transfer

      Volume: 81 Pages: 878,888

    • DOI

      10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.11.005

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 等密度の二相系格子ボルツマン法を用いたトポロジー最適化2015

    • Author(s)
      矢地謙太郎、山田崇恭、吉野正人、松本敏郎、泉井一浩、西脇眞二
    • Journal Title

      計算数理工学論文集

      Volume: 15 Pages: 49,54

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 等密度の二相系格子ボルツマン法を用いたトポロジー最適化2015

    • Author(s)
      矢地謙太郎、山田崇恭、吉野正人、松本敏郎、泉井一浩、西脇眞二
    • Organizer
      計算数理工学会、計算数理工学シンポジウム2015
    • Place of Presentation
      三重県伊勢市
    • Year and Date
      2015-12-04 – 2015-12-05
  • [Presentation] A multiobjective topology optimization method for Tesla valve design2015

    • Author(s)
      Yuki Sato, Kentaro Yaji, Kazuhiro Izui, Takayuki Yamada, Shinji Nishiwaki
    • Organizer
      The 3rd International Workshops on Advances in Computational Mechanics
    • Place of Presentation
      Tokyo
    • Year and Date
      2015-10-12 – 2015-10-14
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 双曲線正接関数を用いたレベルセット法に基づく形状最適化2015

    • Author(s)
      矢地謙太郎、乙守正樹、山田崇恭、泉井一浩、西脇眞二
    • Organizer
      日本機械学会、第25回設計工学・システム部門講演会
    • Place of Presentation
      長野県長野市
    • Year and Date
      2015-09-23 – 2015-09-25
  • [Presentation] Level set-based topology optimization using the lattice Boltzmann method considering two-phase fluid flows2015

    • Author(s)
      Kentaro Yaji, Takayuki Yamada, Masato Yoshino, Toshiro Matsumoto, Kazuhiro Izui, Shinji Nishiwaki
    • Organizer
      11th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization
    • Place of Presentation
      Sydney
    • Year and Date
      2015-06-07 – 2015-06-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A level set based topology optimization method for micropump design utilizing induced-charge electro-osmosis2015

    • Author(s)
      Ryuta Tanaka, Kentaro Yaji, Takayuki Yamada, Kazuhiro Izui, Shinji Nishiwaki
    • Organizer
      11th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization
    • Place of Presentation
      Sydney
    • Year and Date
      2015-06-07 – 2015-06-12
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2016-12-27  

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