2019 Fiscal Year Research-status Report
Control of Mixing, Diffusion, and Heat Transfer in Multiple-Arranged Round Jets
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19K04169
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
辻本 公一 三重大学, 工学研究科, 教授 (10243180)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | Multiple jet / Active control / Heat transfer / Mixing / DNS / Impinging jet / Free jet / DRL |
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| Outline of Annual Research Achievements |
噴流の多数化によって生じる、単独噴流どうしの干渉による性能低下を回避・改善し、また分布特性を一様化する能動制御手法を開発する。そのため単独噴流の混合制御で見出した噴流の動的制御に加え、間欠噴流や開花噴流を利用した新たな能動制御にも取り組み、それらの方法によって個々の噴流の効果的な制御手法を開発する。本年度では、単独の自由噴流に関し、開花噴流の混合特性を調査、また多数の自由噴流の場合、間欠的に噴出する２本の噴流間距離を変え混合性能を調査し有意な混合特性が提案する方法により得られることを明らかにした。壁面に噴流を衝突させる衝突噴流では、単独の衝突噴流に対し、先に検討した開花噴流を壁面に衝突させその特性を調べた結果、特定の周波数と壁面―噴流間距離の組み合わせの下で壁面上の伝熱特性が均一になることを見出し、均一化に開花噴流が有効であることを明らかにした。多数の衝突噴流については、13本と19本の自由噴流を多数配置した場合の噴流間の流動構造と伝熱特性を明らかにした。さらに間欠的に噴出する2本の噴流を配置し２本の噴流間隔を変え多重衝突噴流の制御を行い、制御しない場合と比べ伝熱性能が向上することを明らかにした。均一化の方策として壁面と平行に噴流を振動させる方法を提案、4本の噴流に適用し、伝熱特性の均一化が図られることを明らかにした。混相噴流の制御については開発した時間発展型の液体噴流のコードを用いて、噴流の噴流厚さ方向あるいはスパン方向に速度差を設けせん断層を制御することで液体噴流の分散、拡散性能が向上することを確かめ、提案するせん断層制御の有効性を明らかにした。さらに噴流の混合特性の改善に関し、機械学習による制御の可能性を探るため、深層強化学習による2次元噴流の混合制御を行い、古典的な開ループ制御の結果と比較、機械学習により混合状態を改善する有用な解が得られることを明らかにした。
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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
間欠噴流や開花噴流の基本特性ならびに多数化の基本特性の調査として、(i)これまで行ってきた振動や回転による動的制御に加え、個々の噴流を間欠的に噴出させる間欠制御や開花噴流による制御について検討すること、(ii)個々の噴流特性を改善する際、人為的に設定される周期的なモードだけでなく、任意の関数形の入力モードを見出すため、強化学習を利用して制御手法を高度化すること、(iii)自由噴流の場合には巻き込み量の増加による混合・拡散特性の向上、衝突噴流の場合には噴流間の吹上流れの低減による伝熱特性の改善を目指し、2本の噴流間で位相差を変えて混合・拡散・伝熱特性の調査を行うことを当初に計画した。前述からも、(i)(iii)については実施され、(ii)については機械学習のための計算コード開発を行い、今後の制御方法を検討するための重要な要素技術の基盤が確立された。多数噴流に対する制御手法として、縮退モデルを用いた随伴法による最適制御の開発を行うことを当初に計画したが、機械学習を利用した道筋が上記の方法よりも効率的に制御できる可能性を見出したことから、開発した機械学習の計算コードを利用する制御手法の開発に重点を起き、最適制御は機械学習の検証等に利用する方針に切り替える。多数噴流の制御自体は、前述のように自由・衝突噴流のそれぞれにおいて提案する制御方法の実証が着実に積み上げられている。混相噴流の制御では、液体噴流の振動、回転、間欠などの動的制御に関する解析を行うことを計画し、初年度では提案するせん断層制御が、微粒化を促進する優位な方法であることを見出した。しかしながら動的制御については未着手であり、そのための今後さらなる計算コードの整備と制御の実施が課題である。以上から、初年度の成果を反映した当初計画の変更はあるが、概ね計画の流れに沿って活動が達成されていることから総合的に（２）と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに実施した研究をさらに深化させる。単独の自由噴流の場合、開花噴流の空間分布に非一様性が生じ、これらを改善する制御周波数や入力波形の見直しの検討、開花噴流は有効な方法であるが実用化するには制御が複雑であるためこれを簡便に模擬できる可能性がある歳差運動する噴流の検討、また出来るだけ省エネルギー化が図られることも課題で、より小振幅な入力条件での間欠制御の検討など、これまでの成果を反映し実用化に向けた制御方法を検討する。多重の衝突噴流の場合、特に噴流間距離が狭い場合は他の研究者も含めこれまで十分に調べられていないことから、至近距離配置された場合の解析を進める。さらに間欠的に駆動させる制御を多数配置された衝突噴流に適用する。また、均一化の方法論として壁面に平行に振動させる制御では、そもそも一周期の間に噴流が壁面上の衝突する時間が均一にはなっていないことから、それが原因で伝熱の一様化が妨げられている。通常の制御入力パターンとして採用される正弦波とは異なる新たな入力パターンの導入が必要である。同時にこのことは噴流自体の移動方法の検討の必要性を示唆しており、具体的には振動させる方向の変更や回転など新たな方法の可能性を調査する。液体噴流の制御については複数の噴流が干渉しあう場合の液体噴流についての検討を開始する。液体噴流の場合、時間発展型の計算に基づく評価を行っており、定量的に信頼できる制御結果を得るためには空間発展型の計算の導入が急務である。そのためには計算機技術の一つとして適切な流入条件の検討が必要であり、このための流入条件に関する独自の計算技術の開発を検討する。本年度より深層強化学習により単独噴流の制御を行い、その有効性を確かめた。前述の課題では新たな制御入力パターンの創出が必須であることから、開発した機械学習の計算コードを拡張し、これら課題の解決の道具とする。
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