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Unravelling nonlinear phenomena in thermoacoustic self-excited oscillations−aiming at promotion and suppression of the oscillations−

Research Project

Project/Area Number 18H01375
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research InstitutionOsaka University (2021)
Kansai University (2018-2020)

Principal Investigator

杉本 信正  大阪大学, 工学研究科, 招へい教授 (20116049)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 清水 大  福井工業大学, 工学部, 教授 (40448048)
板野 智昭  関西大学, システム理工学部, 教授 (30335187)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2018: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Keywords熱流体力学 / 熱音響 / 自励振動 / 不安定 / 非線形現象 / 熱流の不安定化 / 臨界条件 / 振動発電 / エネルギーハーベスティング / ループ管路 / 直管 / 衝撃波
Outline of Annual Research Achievements

管路内の気柱にいわゆるスタック等を用いて温度勾配を課すと熱流が不安定化し,気柱全体が自励振動をし始める熱音響現象が発生する.不安定化が発生する臨界条件は微小撹乱を仮定する線形理論で得られるとされている.しかし不安定化の臨界温度比は理論値よりかなり高く,一方発生する振動の増幅率は理論値よりはるかに小さいことがこれまで実施した実験から明らかになり,理論結果と大きく食い違っている.この原因を追求すべく,再度直管を用いた実験を繰り返したが,これまでの結果が確認されただけであった.
原因は理論では想定していないスタック内の流路横方向の熱流が大きく影響しているのではないかと予想し,熱流の大きさを変化させた実験を3回行った.この結果,臨界温度比は3つの場合それぞれ異なることが分かったが,増幅率はほぼ等しく従来の値とほぼ同じ大きさであった.
そこで横方向の熱流を考慮した理論を新たに展開し,熱流の影響を調べた.これによると,熱流が大きくなるにつれ臨界温度比が高くなる一方,増幅率は次第に低下することが明らかになった.これらの結果は実験結果と定性的に一致しており,実験と理論との不一致の原因は横方向の熱流の影響であると結論できる.再度実施した実験および新たに展開した理論は,Journal of the Physical Society of Japanに2編の論文に公表されている.
一方,昨年度からの継続の課題である,不安定化から自励振動に至るシミュレーションにおいて温度勾配を課すスタック両端での接続条件を検討し直した.スタック両端での流路の急拡大・急縮小に伴う渦や剥離による損失と熱流の影響を考慮した接続条件を導出した.この条件をシミュレーションに組み込む変更を現在行っているが,結果はまだ得られていない.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2020年度は未曾有の新型肺炎の蔓延により研究活動が十分に行えず,実験は代表者が一人で行い,分担者と協力して行う実験が計画していた通りには実施できなかった.加えて代表者が年度末に移動することになったため,実験装置を分担者の所に移設せざるを得なくなったことも計画が遅れている一因である.

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の推進方策は新型肺炎の状況次第ではあるが,計画していた実験を行うには分担者が所属する大学に安全に出張し滞在できることがまず第一条件になる.これが可能になれば分担者と協力し実験を速やかに再開する計画である.

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(18 results)

All 2021 2020 2019 2018

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results) Book (2 results)

  • [Journal Article] Onset Behavior of Thermoacoustic Instability in an Air-Filled Closed Tube2021

    • Author(s)
      Nobumasa Sugimoto
    • Journal Title

      J. Phys. Soc. Jpn.

      Volume: 90 Issue: 1 Pages: 014401-014401

    • DOI

      10.7566/jpsj.90.014401

    • NAID

      210000158737

    • ISSN
      0031-9015, 1347-4073
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of a Cross Heat Flow on Thermoacoustic Instability in a Gas-Filled Channel2021

    • Author(s)
      Nobumasa Sugimoto
    • Journal Title

      J. Phys. Soc. Jpn.

      Volume: 90 Issue: 1 Pages: 014402-014402

    • DOI

      10.7566/jpsj.90.014402

    • NAID

      210000158738

    • ISSN
      0031-9015, 1347-4073
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Experiments on self-excited thermoacoustic oscillations in an air-filled closed tube2019

    • Author(s)
      Nobumasa Sugimoto,Keisuke Minamigawa
    • Journal Title

      Proceedings of the 23rd International Congress on Acoustics

      Volume: 1 Pages: 5619-5626

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Marginal conditions for the onset of thermoacoustic oscillations due to instability of heat flow2019

    • Author(s)
      Nobumasa Sugimoto
    • Journal Title

      IMA Journal of Applied Mathematics

      Volume: 84 Pages: 118-144

    • DOI

      10.1093/imamat/hxy051

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Shocked and unshocked thermoacoustic oscillations in a looped tube2018

    • Author(s)
      Nobumasa Sugimoto & Keisuke Minamigawa
    • Journal Title

      Proc. Mtgs. Acoust., Acoustical Society of America

      Volume: 34 Pages: 045004-045004

    • DOI

      10.1121/2.0000847

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical simulations of thermoacoustic oscillations in a looped tube by asymptotic theories for thickness of diffusion layers2018

    • Author(s)
      Dai SHIMIZU, Takuya IWAMATSU, and Nobumasa SUGIMOTO
    • Journal Title

      Proc. Mtgs. Acoust., Acoustical Society of America

      Volume: 34 Pages: 045025-045025

    • DOI

      10.1121/2.0000888

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ループ管における熱音響自励振動に及ぼす管の曲率の影響2020

    • Author(s)
      清水 大,杉本信正
    • Organizer
      日本流体力学会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Experiments on self-excited thermoacoustic oscillations in an air-filled closed tube2019

    • Author(s)
      Nobumasa Sugimoto, Keisuke Minamigawa
    • Organizer
      The 23rd International Congress on Acoustics
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 直管内の熱音響自励振動の実験2019

    • Author(s)
      杉本信正,南川佳祐
    • Organizer
      非線形音響研究会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 熱音響システムにおける非線形現象―衝撃波の発生と抑制2019

    • Author(s)
      清水 大,杉本信正
    • Organizer
      日本音響学会2019年秋季研究発表会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 共鳴器の局所接続による定在波型熱音響自励振動の増幅2019

    • Author(s)
      清水 大,杉本信正
    • Organizer
      日本流体力学会年会2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 温度勾配のある細管内の熱音響現象の線形および非線形理論2019

    • Author(s)
      杉本信正,清水 大
    • Organizer
      京都大学数理解析研究所共同研究集会 「非線形波動現象の数理とその応用」
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 熱音響自励振動を利用した振動発電2018

    • Author(s)
      南川 佳祐, 杉本 信正
    • Organizer
      日本機械学会2018年度年次大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 拡散層厚さに対する漸近理論による熱音響振動発生の数値2018

    • Author(s)
      清水 大,杉本 信正
    • Organizer
      日本流体力学会 年会20018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Shocked and unshocked thermoacoustic oscillations in a looped tube2018

    • Author(s)
      Nobumasa Sugimoto, Keisuke
    • Organizer
      21th International Symposium on Nonliear Acoustics
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nonlinear simulations of thermoacoustic oscillations ina looped tube2018

    • Author(s)
      Dai Shimizu, Nobumasa Sugimoto
    • Organizer
      21th International Symposium on Nonliear Acoustics
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Book] Applied Wave Mathematics II2019

    • Author(s)
      Nobumasa Sugimoto, Dai Shimizu
    • Publisher
      Springer-Nature
    • ISBN
      9783030299514
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Book] Applied Wave Mathematics2019

    • Author(s)
      Nobumasa Sugimoto & Dai Shimizu
    • Publisher
      Springer Verlag
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2021-12-27  

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