2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of topology optimization for a transient state for the structural designs of fluid flow cloaks
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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 – 2022-03-31
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| Keywords | 埋め込み境界-格子ボルツマン法 / トポロジー最適化 / 共分散行列適応進化戦略 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，障害物周りの流体を完全に制御し，障害物による流れの乱れをゼロにすることで実現可能な流体クローク（流体迷彩）の創生設計法を開発ことを目的とし，埋め込み境界-格子ボルツマン法（IB-LBM）を用い，流体クロークの周辺の領域において性能評価（障害物により生じる乱流の抑制の評価）を行った．また，構造の表現手法としてレベルセット法，最適化構造の解探索手法として共分散行列適応進化戦略（CMA-ES）を用い，非定常問題に対するトポロジー最適化を開発した．障害物により流体の通過することのできる断面積が減るために，流量の保存則から，クロークされる障害物周辺では流速が速くならざるおえない．本研究の流体クロークの評価値（目的関数）は障害物がない流れ場と障害物がクロークされた流れ場の差を最小化し，クロークがない場合の目的関数値を1とする無次元化をおこなっている．障害物周りに流体クロークとなるべく構造を設定することで，障害物のみ場合よりもさらに流体が通過する断面積が減り，周辺の流速が上昇し，結果として，目的関数が1を下回ることが困難であることが示された．これらは，本研究の問題設定においては流体クロークの設計と実現が，物理的に解決が困難であることを示唆しており，障害物がない場合の流れ場の完全な再現は困難であることが明らかになった．一方で，非定常問題となる流体解析に基づいてトポロジー最適化は一般に時間を遡った感度解析が必要であり，最適解が初期解に強く依存する従来の感度解析に基づくトポロジー最適化に対し，本研究で開発した共分散行列適応進化戦略の基づいたトポロジー最適化はそれらの煩雑な感度解析を必要とせず，さらに，性能の悪い局所的最適解が多く存在する多峰性最適化問題においても様々な構造から最適化計算を繰り返すトライ＆エラーが不要となった．
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