2022 Fiscal Year Research-status Report
勾配法に基づく放熱用の最適多孔質体構造の提案とその実験的実証
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21K03896
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
佐野 吉彦 静岡大学, 工学部, 准教授 (90720459)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 形状最適化 / 多孔質体 / 局所体積平均理論 / 伝熱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，放熱用の多孔質体構造に理論設計手法がないことを問題提起とし，勾配法と局所体積平均理論の連成により物理科学に基づく多孔質体デザイン手法を確立することである．２年目の目的は（A）１年目で確立した数理理論に基づき数値シミュレーションを実行して，更なる放熱性能を有する多孔質構造体を探索すること，（B）実験に基づく本理論の妥当性を検証すること，（C）伝熱要素解析による伝熱促進メカニズムを検討することであった．
まず放熱媒体を想定して，SC構造体，FCC構造体，FCCSC構造体，BCC構造体，BCCSC構造体の形状改善数値シミュレーションを行い，全ての構造体においてその伝熱量を増加可能であることを示した．さらに，形状改善したBCCSC構造体では，圧力損失を考慮した熱効率指数においてもその値を高めることに成功し，ルーバーフィンよりも高い熱効率指数を得ることを達成した．
実験では，３Dプリンターを用いてデザインした多孔質構造体の造形を行った．2年目は放熱実験装置の作成を行い，放熱実験の前段階として上記BCCSC構造体の透過率に注目して，本多孔質体デザイン手法の妥当性の検証を行った．その結果，実験でもデザインした多孔質構造体の有意義性を実証することができた．
さらに，伝熱要素解析を実行することで，更なる放熱性能を有する多孔質構造体を得るためには，構造体内で比較的流れが透過しやすく且つ温度勾配の大きい領域に向けて構造体を拡大させていくこと，さらに，流れが構造体と衝突して局所熱伝達率を高める領域を増やすことが重要であることが分かった．
これらの成果は３件の国内学会で発表し，内１件では若手優秀講演者賞を受賞した．
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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
本研究の目的は，放熱用の多孔質体構造に理論設計手法がないことを問題提起とし，勾配法と局所体積平均理論の連成により物理科学に基づく多孔質体デザイン手法を確立することである．２年目の目的は本数理理論に基づいて更なる放熱性能を有する多孔質構造体を探索してゆき，その伝熱促進メカニズムを検討することであった．さらに，これに並行して実験装置を開発して本多孔質体デザイン手法の妥当性を検証することも目的とした．これらの目的は概ね達成しており，プロジェクトとしておおむね順調に進行していると考えられる．
まず，本数値理論に基づき形状改善したBCCSC構造体では，圧力損失を考慮した熱効率指数においてもその値を高めることに成功しており，伝熱要素解析を実行することで，多孔質体の伝熱メカニズムの検証を今も続けている．実験装置に関して開発自体は完了して，まずは透過率に基づき本多孔質体デザイン手法の妥当性を実証した．
これらの成果は３件の国内学会で発表し，内１件では若手優秀講演者賞を受賞した．現在，これらの結果は英字論文にまとめており，近々投稿する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の目的は，放熱用の多孔質体構造に理論設計手法がないことを問題提起とし，勾配法と局所体積平均理論の連成により物理科学に基づく多孔質体デザイン手法を確立することである．３年目の目的は伝熱実験による本多孔質体デザイン手法の妥当性を検証および研究総括である．
２年目に開発した放熱実験装置を用いて，これまで本数理理論でデザインしてきた多孔質構造体の伝熱実験を繰り返し行い，放熱量，熱伝達率，圧力損失（透過率），さらに熱効率指数の観点から本多孔質体デザイン手法の妥当性の検証を行う．これらの結果は全てデータベースとしてまとめる．特に，放熱能力が高い構造体は伝熱要素解析を行い，多孔質体の伝熱に寄与するメカニズムの解明と，さらなる放熱能力を有する構造体の探索を行う．
これらの結果は研究の総括として国際論文誌に投稿する予定である．
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| Causes of Carryover |
昨年度の実験では，BCCSC構造体の透過率の検討をメインに行っており，申請当初の計画に比べて少ない構造体で実験したため差額が生じた．ただし，今後は計画通り全ての構造体で伝熱実験を実施する予定であるため，使用計画通りに予算を執行する予定である．
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