2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of high-fidelity large scale simulation software on reactive flow for significant improvement of combustion efficiency
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19KK0097
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
丸田 薫 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (50260451)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 寿 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (40444020)
森井 雄飛 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (50707198)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2025-03-31
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| Keywords | 大規模数値解析 / 燃焼 / ノッキング解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
米国発の大規模数値解析ライブラリと，これと高親和性の研究分担者開発による計算高効率化手法とを組合せ，反応性流体の大規模数値計算を実施している．当グループ独自のマイクロ燃焼現象，さらに実用燃焼器を模した小容器内における正ヘプタンの着火・燃焼現象に関する実験（他大学による先実験）を標準現象として，継続可能な共同開発環境の整備をすすめている．これまで，次世代燃焼技術（着火促進）として期待される非平衡プラズマアシスト燃焼の数値解析を実施してきた．当初予定した海外渡航は実施不可であったが，非平衡プラズマアシスト燃焼に関する数値的研究を進め，プラズマ反応から着火～燃焼完了まで包括的な数値計算を行う手法に道筋をつけ，2021年には非平衡プラズマによる着火効果に関する学術論文を公刊した。換算電界の大小によるプラズマ反応の進行が，単純なエネルギーの大小のみならず，電界付与と局所的な化学種の分布状況に依存することを示している．また，数値解析ライブラリと計算高効率化手法との組合せによる，他大学で実施された実験（着火～火炎伝播～異常燃焼であるノッキング）との比較による検証に取り組んでいる．スパコンで3ヶ月ほどを要した大規模数値計算を完了し，実験結果と圧力履歴および可視化画像からみた現象の全体像とが一致する結果を既に得ており（原著論文発表済），さらに詳細なメカニズム分析および考察を進めた．その結果，着火～火炎伝播～異常燃焼であるノッキングに至る過程を極めてシンプルな手段で再現できる手法の創出に目処をつけることに成功し，現在，論文執筆中である．またマイクロ燃焼現象における不安定振動燃焼の数値解析をサロゲート燃料の場合にも拡大，これまでに，極めて興味深い残留成分の排出を見いだしている．
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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
米国で開発されたオープンソースの超大規模数値解析ライブラリと分担者らによる化学反応計算高効率化手法を組合せたソフトウェアの開発を完了し，従来手法では事実上解析することが不可能な規模の燃焼解析を実施した．2022年度も引き続き，次世代自動車エンジンの高効率化にとって重要な課題であるノッキング現象の理解を目指し，既存の実験を検証対象とする２次元直接数値結果の解析を実施，現象全体を理解しメカニズムを説明することができる見通しを得た．ノッキングにおいて場を支配する現象の遷移について詳細な分析をすすめ，現象の本質抽出を達成，その論文化を図っている．また今後のエンジン・ノック抑制に貢献しうる知見を得ており，エンジン試験との対比への準備にも着手した．マイクロ燃焼現象における不安定振動燃焼の数値解析では，冷炎と振動燃焼が干渉する場合，しない場合の全体像を良く結果が国際学術誌に原著論文として掲載決定となった。さらにこれをガソリンのサロゲート燃料に適用することで，極めて興味深い残留生成物の挙動を調べる見通しも得ている．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画された中期の海外滞在を余儀なくされたが，研究成果自体は順調に進捗した．研究打ち合わせは数回実施し，ソフトウェア開発も着実にすすんでいる． 2022年度には，マイクロ燃焼現象における不安定振動燃焼の数値解析を実施した博士後期課程学生が，特別研究員として米国留学を開始するなど研究典型に繋がった． 2023年度は，新たに別予算で措置したノッキング実験，既存のマイクロ燃焼装置によるガソリン・サロゲート燃料によるFREIの実験および数値計算，ノッキング現象に関する数値計算結果分析を格段に進める予定である．数値解析の高精度化に向けて化学反応機構の修正も試みる．大規模燃焼数値計算については，既実施の正ヘプタン燃料の場合に加え，別予算で措置したノッキング実験を行うイソオクタン，およびその他添加剤との混合燃料へとすすめる．その他，着火から火炎伝播に至る数値計算も，別予算による実験研究とともにすすめる．2023年度の海外渡航については，コロナ禍の収束を見据え，柔軟に進めていくが，達成した成果の発表も3つの国際会議で実施する計画である． 2024年度には，開発ソフトウェアを用い，本研究の代表・分担者ら及び国際共同研究者らとで共同の解析を実施し，モデルのアップデート及びさらなる高速化を進める．
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| Causes of Carryover |
2019年は，11月に開催された国際会議International Conference on Flow Dynamics (ICFD)にて，招へいした Luc Vervisch教授と今後の打ち合わせを実施した．その後はソフトウェア開発にあたり，担当大学院生二人とともに渡仏を計画していたが，フランスでのストライキ発生のため，ベルギーで開催された講習会に参加，その後の研究に関して研究分担者が打ち合わせを実施した．その後，2020年初頭にコロナ禍が発生，2021年度までの渡航計画については多くを延期せざるを得ない状況が続いた．なお2022年度には，成果のあった内容について国際会議での発表を行うことが出来ている．またマイクロ燃焼の数値計算を担当する博士後期課程の大学院生1名が別予算（特別研究員）により米国テネシー大学に留学する展開に繋がり，2023年4月現在も米国に滞在中であるなど，コロナ禍の沈静化とともに研究活動は正常化の方向にある．
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