2016 Fiscal Year Research-status Report
ニューラルネットワークを用いた多目的最適化による自己修復機能の探索
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16K06088
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
坂口 大作 長崎大学, 工学研究科, 教授 (70244035)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 多目的最適化 / 数値流体力学 / 遠心圧縮機 / ケーシングトリートメント |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の流体機械における設計要件は，設計点における効率のみならず非設計点における安定した運転が求められるようになってきた．従来の設計手法は，剥離を抑制し損失を減らすことに重点が置かれおり，非設計点では流れが剥離してサージなどの自励的不安定現象を生じてしまう．本研究では，流れが剥離しても流れ場自身が自動的に自己修復して安定した流れ場を実現する機能を有する形状を探索する．探索システムとして，数値流体解析を効率的に行うことができる多目的最適化設計手法を用い，遺伝的アルゴリズムによる全方位的形状探索とし，さらにメタモデルとしてニューラルネットワークを適用することで効率的な形状探索を行う．
本年度は循環流型ケーシングトリートメントの最適化を実施した．ターボチャージャー用遠心圧縮機を対象とし，上流側吸い込み管シュラウド壁面の環状溝と下流側羽根車入口のど部のシュラウド壁面環状溝とをバイパス通路で連結し，両溝間の圧力差により下流側溝からは低エネルギー流体が吸い出され，上流側溝から主流に戻される循環流が形成される．主流に戻された低エネルギー流体は，自身の持つ旋回成分が予旋回効果となること，循環流量の分だけ羽根車入口における流入流量が増加することにより前縁剥離が抑制される．
目的関数として設計点流量および低流量での断熱効率とした最適化を実施し，探索結果は明瞭なパレートフロントを形成した．断熱効率を改善するには最適循環流量が存在し，循環流の旋回成分を抑制することが高エントロピー流体の集積を抑制することが分かった．次いで，循環流の旋回成分を抑制する手段として，環状通路内のガイドベーンを提案し，ガイドベーンを含めた最適形状探索を行い，旋回成分を抑制することに有効なガイドベーン形状を提案した．
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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
ガイドベーンを含めた最適形状探索システムを構築し，最適化を実施した．形状探索結果は明瞭なパレートフロントを形成し，断熱効率改善のためのケーシングトリートメントおよびガイドベーン形状を提案できた．また，最適化の際に検討した形状データを統計的に処理し，設計パラメータの感度解析を行ったところ，効率改善のためには，羽根車入口旋回成分のコントロールが重要だと分かった．すなわち，旋回成分を極端に取り除けば角運動量が消失し，旋回成分の残すと遠心力により高エントロピー流体が羽根車入口シュラウド壁面へ集積し，同じ流体が循環する現象を生じてしまうと理解できた．最適形状は，適正な循環流量を予旋回を生じることなく羽根車へ戻す流れ場を形成させていると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
ターボチャージャー用遠心圧縮機は，インデューサおよびディフューザそれぞれに対して失速抑制対策が必要である．インデューサ失速に対しては研究初年度にて開発した循環流型ケーシングトリートメントを適用し，最適形状を提案した．次年度以降は，ディフューザ失速抑制策として小弦節比翼列ディフューザを提案し，最適形状を探索する．特に，小弦節比翼列ディフューザの低流量域で生じる二次流れは，低エネルギ流量の集積を防ぎ，流れ場が自己修復的に作用するものとして，循環流型ケーシングトリートメントと同様のコンセプトが実現できるものと期待している．
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