| 研究課題/領域番号 |
20K04284
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19010:流体工学関連
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| 研究機関 | 富山大学 |
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研究代表者 |
瀬田 剛 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (50308699)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2020年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
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| キーワード | 数値流体力学 / ステファン・マクスウェル方程式 / 多成分系解析 / 熱流動解析 / 格子ボルツマン法 / ステファン・ボルツマン方程式 / 多成分系熱流動解析 / 燃料電池 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
自然対流における不安定振動は、レイリー数、プラントル数、境界形状等の僅かな条件の違いにより流動様式が大きく変化する。熱流動ボルツマン法に、多緩和時間衝突則と、任意曲面を取り扱う手法を適用し、マクスウェル・ステファン方程式に収束する多成分系-熱流動格子ボルツマン法を構築する。固体高分子形燃料電池は、水素と酸素が化学反応することにより電気と熱を発生させるクリーンなエネルギーシステムである。燃料電池での化学反応で発生する熱により、電極面内に不均一な温度分布が発生し、これが燃料電池の運転の障害となる。燃料電池内の触媒層の熱流動解析を行い、燃料電池の発電性能予想に利用可能な手法であることを実証する。
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| 研究成果の概要 |
時間刻み幅に基づくマルチスケール展開により、ステファン・マクスウェル方程式を満足する多成分系格子ボルツマン法の構築に成功した。曲面を有する壁面に対応した境界条件を用い、多孔質体内の多成分拡散の計算を実施したが、壁面上で異成分同士の衝突を適切に扱うことが出来なかった。透過係数を用い多孔質体をモデル化し、バルク粘性を考慮しつつ、ガリレイ不変性を満足するセントラルモーメント衝突則を適用した格子ボルツマン法により、多孔質体内熱流動解析に成功した。燃料電池ないで生じる非線形熱流動現象を格子ボルツマン法により解析するためには、数値的安定性と計算精度に優れた境界条件が必要であることが明らかになった。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
時間刻み幅に基づくマルチスケール展開により、格子ボルツマン法で用いられる運動方程式から、多成分系の拡散現象を記述するステファン・マクスウェル方程式を導出した点に学術的な意義がある。更に、粒子の分布関数を空間補完ではなく、時間補完により予測し、最も運動速度が遅く時間刻み幅が最小である粒子運動を基に、各粒子同士の衝突を計算する点に新規性がある。固体高分子形燃料電池では、水素と酸素の化学反応で発生する熱により、電極面内に不均一な温度分布が発生し、燃料電池の運転の障害となる。本研究によって提案された手法により、燃料電池の運転障害の要因の解明が期待される点に社会的な意義がある。
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