Topology optimization for thermal radiation systems

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K13736
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 泉井 一浩 京都大学, 工学研究科, 准教授 (90314228)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西脇 眞二 京都大学, 工学研究科, 教授 (10346041) ; 山田 崇恭 京都大学, 工学研究科, 助教 (30598222) ; 鈴木 基史 京都大学, 工学研究科, 教授 (00346040)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 熱輻射 / 構造最適化

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，高温の物体から発せられる熱エネルギーのスペクトルを自在に制御することで，熱エネルギーの有効活用を目指して，熱物体の表面形状の最適設計法の開発を行っている．本年度は，前年度までに開発した熱輻射制御構造の構造最適化法により，最適構造を導出し，その効果の確認を行った．また，得られた最適構造の物理的理解を深め，構築した方法により，適切に輻射光の波長を制御できていることを確認した．具体的には，構築した構造最適化法は，レベルセット関数による明瞭な境界表現を保ちながら，tanh型の時間発展方程式に基づくレベルセット関数の更新式を用いることで，複雑な最適化問題においても極めて安定的に最適構造を導出することができることがわかった．また，熱輻射を増強させたい波長に対しては，ポインティング・ベクトルに基づく評価関数を最大化することで，表面プラズモンと空洞共振のモードが励起されるような構造を構築することができ，また，熱輻射を抑制したい波長に対しては，同様の評価関数を最小化することで，電磁波を打ち消す効果を得ることができる．そして，これらの評価関数を重み付き総和法により統合化することで，所望の波長特性をもつ輻射構造を得ることができることを確認した．