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圧縮センシング動的モード分解制御を用いたターボ機械のデジタルツイン

研究課題

研究課題/領域番号 22K03899
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分19010:流体工学関連
研究機関埼玉大学

研究代表者

姜 東赫  埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (40610366)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2025年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
キーワード非定常状態 / 動特性 / 非定常エネルギ保存則 / 動的モード分解制御 / 線形モデル / 3次元時空間周波数解析 / デジタルツイン / 動的モード分解 / 流体制御
研究開始時の研究の概要

本研究では,ターボ機械の非定常内部流れ場の推定及びその制御を目的とし,莫大な時空間データの相関が必要となる非定常流れ場に対して圧縮センシング動的モード分解制御(Compressed Sensing Dynamic Mode Decomposition Control)を用いて,ターボ機械のデジタルツインを確立する.

研究実績の概要

ターボ機械の不安定な運転条件下では、性能が定常状態の特性曲線に迅速に追従することができない。予期せぬ不安定な条件下で信頼性の高いターボ機械を設計するために、三次元遠心インペラの動的伝達マトリックスを評価した。作動流体は非圧縮性の空気である。本研究の結果をポンプなどの広範な適用範囲に対応させるために、すべてのパラメータと結果を正規化した。実験結果は、不安定な性能曲線において定常性能曲線よりも著しく大きな負の勾配を示した。これは主に、圧力上昇のパルス流量に対する位相遅れによって引き起こされた。不安定な条件下での利得と位相遅れの変化を数値シミュレーションによって明らかにした。数値結果は、不安定な圧力上昇が主に不安定なエネルギー保存方程式の慣性項と動力項によって生成されることを示した。動力項は主に角運動量流量差および角運動量の変化率の影響を受けた。各項目を定量的に評価し、不安定な圧力上昇への寄与について議論した。本研究で試験した周波数範囲内では、三次元遠心インペラの伝達マトリックスは、連続接続された微分システムを考慮した一次遅れ近似によって効果的に近似できることがわかった。本結果は、キャビテーションなどの圧縮性の影響を無視すれば、遠心ポンプにも拡張できると考える。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

成果が出て学会発表および論文を掲載した。

今後の研究の推進方策

動特性の詳細な調査には複数回の実験が必要となるため時間コストが大きいということに注目し,より短時間で動特性の解明が可能となるDMDc を用いた推定について検討した.線形化されたモデル作成のために,実験によって周波数が徐々に増加する信号のチャープ信号を用いることで複数の周波数の情報をもつモデルの作成を行った.この作成されたモデルに対して,入口脈動流を模擬した複数の正弦波をあたえることで,それぞれの周波数における圧力変動の推定が可能となる.本研究では,大橋[8] が行った一定周波数を与えて動特性を可視化する方法と,提案したDMDc によって推定し動特性を再現する方法の比較と検討を行った.

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 2件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Experimental and Numerical Evaluations of Dynamic Transfer Matrix for a Three-Dimensional Centrifugal Impeller Based on Unsteady Energy Conservation2024

    • 著者名/発表者名
      Kambayashi Izuru、Dou Chengye、Kang Donghyuk
    • 雑誌名

      Journal of Fluids Engineering

      巻: 146 号: 9 ページ: 1-14

    • DOI

      10.1115/1.4064996

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 動的モード分解制御を用いた一様流中に置かれた円柱周りの非定常流れのフィードバック制御2023

    • 著者名/発表者名
      上林出 , 川崎成道,姜東赫
    • 雑誌名

      ターボ機械

      巻: 51 ページ: 1-12

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Stability Analysis of Cavitation Surge in Hydraulic System Considering Response Delay of Cavitating Pump2022

    • 著者名/発表者名
      Kanata Nemoto, Donghyuk Kang, Izuru Kambayashi, Wakana Tsuru, Satoshi Watanabe, Kazuhiko Yokota
    • 雑誌名

      International Journal of Fluid Machinery and Systems

      巻: 15 号: 4 ページ: 401-410

    • DOI

      10.5293/IJFMS.2022.15.4.401

    • ISSN
      1882-9554
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 動的モード分解を用いたキャビテーションポンプの動特性推定方法の提案2023

    • 著者名/発表者名
      姜東赫 (埼玉大) , 上林出 (埼玉大) , 横田和彦 (青山学院大)
    • 学会等名
      第88回 ターボ機械協会 総会講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] キャビテーションサージの能動制御に関する非線形解析2023

    • 著者名/発表者名
      根本彼方 (埼玉大) , 姜東赫 (埼玉大) , 上林出 (埼玉大)
    • 学会等名
      第88回 ターボ機械協会 総会講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 動的モード分解に基づく円柱周流れのフィードバック制御の検討2023

    • 著者名/発表者名
      上林出 (埼玉大) ,姜東赫 (埼玉大)
    • 学会等名
      第88回 ターボ機械協会 総会講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 動的モード分解制御を用いた遠心ファンの動特性の推定2023

    • 著者名/発表者名
      丸山俊祐 (埼玉大) , 上林出 (埼玉大) , 姜東赫 (埼玉大)
    • 学会等名
      第89回 ターボ機械協会 総会講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Experimental and Numerical Evaluations of Dynamic Transfer Matrix for a Three-Dimensional Centrifugal Impeller based on Unsteady Energy Conservation2023

    • 著者名/発表者名
      Izuru KAMBAYASHI, Chengye DOU,Donghyuk KANG
    • 学会等名
      ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Evaluation of Dynamic Characteristics for Cavitating Pump in Two-Dimensional Cascade Flow Using Dynamic Mode Decomposition Control2023

    • 著者名/発表者名
      Donghyuk KANG, Izuru KAMBAYASHI, Kazuhiko Yokota
    • 学会等名
      ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 機械学習を用いた流体機械内部流れ場の推定手法2022

    • 著者名/発表者名
      上林出,姜東赫
    • 学会等名
      ターボ機械協会第86回 総会講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 動的モード分解制御(DMDc)を用いた円柱周りの流れ場の推定と制御2022

    • 著者名/発表者名
      川崎成道,姜東赫
    • 学会等名
      ターボ機械協会第86回 総会講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 流量変動時の遠心ファンの伝達関数に関する実験的・数値的研究2022

    • 著者名/発表者名
      竇 程燁,姜東赫
    • 学会等名
      ターボ機械協会第86回 総会講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] Dynamic characteristics of turbomachinery

    • URL

      https://park.saitama-u.ac.jp/~fdl/research.html

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [産業財産権] 流速およびクォリティの算出方法、流速およびクォリティの算出プログラム2023

    • 発明者名
      朝原誠、姜東赫
    • 権利者名
      朝原誠、姜東赫
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2023-211546
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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