2012 Fiscal Year Annual Research Report
壁乱流における伝熱促進と摩擦抵抗低減の最適非相似制御
| Project/Area Number |
23760176
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
長谷川 洋介 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (30396783)
|
|---|
| Keywords | 対流 / 伝熱促進 / 抵抗低減 / 最適制御理論 |
|---|
| Research Abstract |
熱流体機器の高効率化に向けて，圧力損失を抑制しつつ，熱・物質輸送を促進することは，基礎的、且つ重要な課題である．一方，運動量輸送とスカラー輸送の相似性の概念（レイノルズ相似則）は，多様なせん断乱流において，広く適用できることが経験的に知られている．この事実は，壁面摩擦とスカラー混合を独立に制御することの困難さを示している．
本研究では，最も基礎的な系として平行平板間完全発達乱流場を対象として，運動量とスカラー輸送方程式，及び壁面境界条件に立ち返り，数学的な観点から速度場とスカラー場の非相似性を生み出す因子を整理した．様々な非相似因子の中でも，速度場は連続の式を満たす一方，スカラー場にはその制約が無いという本質的な違いは，普遍的な制御指針を与えるものと期待される．本研究では，最適制御理論を応用し，上記の非相似因子を利用した制御則を提案し，数値計算により実証した．
具体的には，壁面からの吹き出し／吸い込みの時空間分布を最適化することにより，世界に先駆けて抵抗低減と伝熱促進の同時達成を実現した．更に，得られた最適制御分布は，流れ方向に伝播する進行波の様相を呈することを明らかにした．この知見に基づき，流れ場のセンシングを必要としない単純な開ループ制御則を提案した．また，異なるレイノルズ数における制御入力の最適化を行うことにより，最適進行波の波長，位相速度に関するスケーリングを明らかにした．
上記の研究では能動的に流れ場に制御を加えたが，実用的には受動制御によって同等の効果を得ることが望ましい．本研究では，定常の層流を対象とし，壁面形状を最適化することにより２次流れを誘起し，伝熱・圧力損失特性の向上を試みた．具体的には，以前に提案した斜交波状壁面を初期条件として，随伴解析に基づき壁面形状の最適化を行った．その結果，熱伝達率を維持しつつ，圧力損失を２０％程度削減できる形状を得た．
|
Research Products
(9 results)
