2019 Fiscal Year Research-status Report
流体迷彩構造の設計を指向した非定常問題に対するトポロジー最適化の開発
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18K19781
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
吉野 正人 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00324228)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤井 雅留太 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (90569344)
鈴木 康祐 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (10735179)
秋本 洋平 筑波大学, システム情報系, 准教授 (20709654)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | トポロジー最適化 / 埋め込み境界－格子ボルツマン法 / 流体メタデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度は埋め込み境界格子ボルツマン法を開発し，開発した流体解析プログラムとトポロジー最適化の構造のモデル化プログラム，および最適化プログラムをまとめ上げ，流体制御トポロジー最適化を開発した．トポロジー最適化の候補解として生成した構造の境界データを抽出し，それを埋め込み境界－格子ボルツマン法に境界データとして受け渡し，流体解析をおこない，デバイスとしての性能をトポロジー最適化の評価値として計算した．開発したプログラムは問題なく動いているが，一方で，当初の想定より計算時間がかかっている．非定常問題であるため保存するデータが大きく，メモリの使用量が多くなるが，解析後すぐに評価値を計算し，可能な限り使用メモリを削減することに努めた．
加えて2019年度は，流体クローキングのトポロジー最適化の計算を開始した．しかし，障害物による流路の狭路化により，流体の流量保存から，障害物の上下での流速は早くならざるを得ず，流体クローキングの評価値を下げることが物理的に極めて困難であることが明らかになった．異なる評価値でのトポロジー最適化も試してはみたが，改善の余地はないようである．様々な戦略パラメータのもと，最適化にトライしたが，やはり物理的に実現が困難な可能性が高く，現状では流体クローキングは実現できない可能性が示唆された．
そこで，トポロジー最適化のプログラムが完成したため，流体クローキング以外の流体メタデバイスの設計を行う計画を立案した．具体的には，一部の領域だけ外部との流れを逆転するリバーシングのトポロジー最適化を行う．流体リバーシングは一部の領域だけ，外部と逆方向への流れを実現するメタデバイスであり，次年度はその設計のために評価値を計算するプログラムを開発する．
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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
埋め込み境界－格子ボルツマン法による流体解析プログラム，トポロジー最適化の構造のモデル化プログラム，および最適化プログラムをまとめ上げ，流体制御トポロジー最適化のプログラムが完成した．
しかし，概要でも述べたが，作成したプログラムをもとに最適化計算を実施したところ，障害物による流路の狭路化により，流体の流量保存から，障害物の上下での流速は早くならざるを得ず，流体クローキングの評価値を下げることが物理的に極めて困難であることが明らかになった．最適化計算の戦略パラメータや，異なる評価値でのトポロジー最適化も試してはみたが，改善の余地はないようである．これらは物理的に実現が困難であることを示唆しており，プログラム開発の進捗状況としては順調ではあるが，今後の最適化結果を出す上で，大いに苦戦することが考えられる．
そこで，トポロジー最適化のプログラムが完成したため，流体クローキング以外の流体メタデバイスの設計を行う．具体的には，一部の領域だけ外部との流れを逆転するリバーシングのトポロジー最適化を行う．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度は試行的に流体クローキングをトポロジー最適化で計算したが，評価値があまり改善されないという問題が生じた．使用している最適化アルゴリズムなどは，他の物理，例えば電磁波，音響，熱伝導，電流などで非常によい成果をだしているため，最適化や解析の問題ではなく，物理的に実現が困難である可能性が高い．実際，障害物の周りでは流路が狭くなるため，質量流量の連続性から，障害物周辺では流速が必ず大きくなるため，それを抑制することは非常に困難であることが考えられる．そこで，令和２年度は流体クローキング以外の流体メタデバイスを設計することとする．具体的には流体リバーシングや流体コンセントレータなどを設計の対象とし，最適化問題を定式化し，トポロジー最適化を実施する．
まずは，流体リバーシングのための評価値の計算プログラムを開発し，領域設定を流体リバーシング設計問題用に調整する．その後，最適化計算を実施する．
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| Causes of Carryover |
新型コロナ感染拡大のため，2020年3月に開催予定の学会講演会や研究打ち合わせが中止になり，学会参加費ならびに旅費（共同研究者である大学院生の分を含む）としての予算執行額が減少した．なお，繰り越し分については，次年度の論文投稿料および英文校正費用として使用する予定である．
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