2019 Fiscal Year Research-status Report
力学系と線形応答理論に基づく低温度差スターリングエンジン技術の新機軸の提案
| Project/Area Number |
19K03651
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
泉田 勇輝 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (70648815)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 低温度差スターリングエンジン / 力学系 / 分岐 / 非平衡熱力学 / 線形不可逆熱力学 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は低温度差スターリングエンジンの非平衡熱力学構築に取り組んだ。低温度差スターリングエンジンは身の回りの低温度の熱源の間のわずかな温度差を回転運動に利用して動くエンジンとして知られている. エンジン解析のためのモデルとして研究代表者が提案した「温度差に駆動される非線形振り子モデル」 （Y. Izumida, EPL 121, 50004 (2018)）を用いている。本モデルは温度差を分岐パラメータとして回転運動が運動方程式の周期解のホモクリニック分岐として生じることが示されている。このモデルに対して非平衡熱力学を構築し、その熱力学効率を定式化した。
熱力学的力（温度差・負荷トルク）がない場合は、エンジンの運動方程式の固定点は平衡状態を記述しており、平衡状態への緩和はオンサーガーの対称性関係が支配する。一方、熱力学的力が作用すると、運動方程式は固定点以外にリミットサイクルと呼ばれる周期解をもちうる。これがエンジンの自律的な回転運動を記述する。回転運動に付随する熱力学的流れ（角速度・熱流）は熱力学的力に対して分岐点から十分離れると線形な振る舞いを示す（準線形応答領域）。この時、熱力学的流れと力を対応づける線形関係式のクロス応答係数にはオンサーガー対称性に類似した対称性が成立しており、この対称性がオンサーガーの反相反関係に起因することを明らかにした。また得られた準線形不可逆熱力学の枠組みを用いて、熱効率を定式化し、その最大値を求めた。
以上の成果をまとめた論文は現在投稿中である（論文プレプリント：arXiv.2005.02253）。また実際の低温度差スターリングエンジンの実験研究を行い、上記のエンジンの力学系モデルとそこから導かれるホモクリニック分岐シナリオなどについて検証を行なった。本成果をまとめた論文も現在投稿中である（論文プレプリント：arXiv.1911.02810）。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は元々の研究計画では次年度以降に行う予定であった低温度差スターリングエンジンの非平衡熱力学構築を先に行った。したがって研究計画の順番の変更はあったが成果は出ており概ね順調に進展していると言える。
|
| Strategy for Future Research Activity |
次年度以降は元々の計画では初年度に行う予定であった低温度差スターリングエンジンの力学系モデルの分岐解析を行う。
|
| Causes of Carryover |
今年度の途中で所属研究機関が変更となり、海外出張などの取りやめを行ったことが大きな要因である。次年度以降の研究成果発表のために有効利用する。
|
