2023 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）を標準現象として研究をすすめている．現在までに，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，マイクロ燃焼現象のうち非定常的に着火・燃焼を繰り返す現象（FREI現象）の数値解析，小容器内における正ヘプタンの着火・燃焼現象を対象とした数値解析を実施してきた．コロナ禍期間中は，当初予定した海外渡航は実施不可であったものの，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， 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．またFREI現象については，開発コードが良く機能し研究室内における実験を定性的再現することを確認した．この数値解析では冷炎と熱炎の干渉を包括的に解明でき，結果を原著論文として投稿済みである．さらに小容器内における正ヘプタンの着火・燃焼現象に対して実施したDNSでは，1点着火の場合に初期温度の微妙な変化（510，480，450，420K）に対して，実験によるノッキング様現象の可視化画像の全体像とが一致する結果を得ており，既に原著論文を発表した2点着火の場合に加え，初期温度依存性を解決できる目処が立っている．結果として，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成功し，こちらも2023年度に原著論文を公刊するに至った．
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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
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．2023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分析に成功し，原著論文の公刊を達成した．また種々の燃料を対象としたエンジン・ノック抑制に貢献する知見を得て，エンジン試験との対比も開始している．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，2022年度の冷炎と振動燃焼の干渉に関する原著論文に続き，冷炎と干渉しつつ進行する1点着火現象の論文が，基礎燃焼分野で最も高水準とされる国際燃焼シンポジウム（2024夏ミラノ開催）での発表原稿として採択されている（採択率50％程度）．
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| Strategy for Future Research Activity |
コロナ禍中は当初計画された中期の海外滞在延期を余儀なくされたが，研究自体は極めて順調に進捗した．ソフトウェア開発も着実にすすんだ． 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実施し2024年3月に博士の学位を取得した．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も着実に進行し，2024年3月の時点で，再現性を確保したノッキング実験が可能となった．また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の実験では，特定成分の特異挙動を特定しており，メカニズムの解析中である．ノッキング現象の予測については，既実施の正ヘプタンの場合に加え，別予算で措置したノッキング実験も含めて，イソオクタンと正ヘプタンの混合燃料へとすすめる．着火から火炎伝播に至る数値計算も，サロゲート燃料や添加剤による着火性の変化に関する検討を，別予算による実験研究とともにすすめる．2024年度の海外渡航については，これまでに達成した成果の発表を3つの国際会議と国際WSで実施する． 2024年度はさらに，本研究の代表・分担者ら及び新たな国際共同研究者らとで共同研究を実施する．
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| Causes of Carryover |
2019年は，11月に仙台で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たが，2019年末の仏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での打合せに切り替え，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は延期せざるを得ない状況が続いた．2022年度には国際会議での成果発表を実施した．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こととなり，2023年8月まで約1年米国に滞在した．2023年度には，コロナ禍で延期となった国際会議・WSへの参加を開始した（韓国開催ICDERS，招待講演等）．以上により，当初計画による支出とは異なる実績となっている．
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