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

• 研究課題/領域番号: 23760176
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長谷川 洋介 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (30396783)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2012
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2012年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2011年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: 対流 / 伝熱促進 / 抵抗低減 / 最適制御理論 / 摩擦抵抗低減

研究概要

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.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.この知見に基づき,最適制御理論を用いて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って,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示した.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.

研究成果

• [雑誌論文] The Influence of Frequency Limited and Noise Contaminated Sensing on Reactive Turbulence Control Schemes (2012)
  • 著者名/発表者名: Stroh, A., Frohnapfel, B., Hasegawa, Y., Kasagi, N. & Tropea, C.
  • 雑誌名: Journal of Turbulence 巻: Vol.13, No. 16 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1080/14685248.2012.679343
  • 査読あり
• [雑誌論文] Money versus Time: Evaluation of Flow Control in terms of Energy Consumption and Convenience (2012)
  • 著者名/発表者名: Bettina Frohnapfel
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: 700 ページ: 406-418
  • DOI: 10.1017/jfm.2012.139
  • 査読あり
• [雑誌論文] Changes in Turbulent Dissipation in a Channel Flow with Oscillating Walls (2012)
  • 著者名/発表者名: Ricco, P., Ottonelli, C., Hasegawa, Y.& Quadrio, M.
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: Vol. 700 ページ: 77-104
  • DOI: 10.1017/jfm.2012.97
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of Turbulent Transport: Less Friction and More Heat Transfer (2012)
  • 著者名/発表者名: Kasagi, N.,Hasegawa, Y., Fukagata, K.& Iwamoto, K.
  • 雑誌名: ASME Journal of Heat Transfer 巻: Vol.134 号: 3 ページ: 31009-31009
  • DOI: 10.1115/1.4005151
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Spatially Varying Slip Length on Friction Drag Reduction in Wall Turbulence (2012)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, Y., Frohnapfel, B. & Kasagi, N.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: Vol.318 号: 2 ページ: 22028-22028
  • DOI: 10.1088/1742-6596/318/2/022028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of Turbulent Transport (2012)
  • 著者名/発表者名: Kasagi, N. et al.
  • 雑誌名: ASME Journal of Heat Transfer 巻: 2012 ページ: 31009-31009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Considerations about Near-Wall Turbulence and Resulting Flow Control Schemes (2011)
  • 著者名/発表者名: Frohnapfel, B., Jovanovic, J., Hasegawa, Y. & Kasagi, N.
  • 雑誌名: Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM) 巻: Vol.10 号: 1 ページ: 743-746
  • DOI: 10.1002/pamm.201010352
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dissimilar Control of Momentum and Heat Transfer in a Fully Developed Turbulent Channel Flow (2011)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, Y. & Kasagi, N.
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: Vol. 683 ページ: 57-93
  • DOI: 10.1017/jfm.2011.248
  • 査読あり
• [学会発表] Optimal Traveling Wave for Dissimilar Heat Transfer Enhancement in a Fully Developed Turbulent Channel Flow (2012)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, Y., Yamamoto, A., Shikazono,N. & Kasagi, N.
  • 学会等名: Joint ERCOFTAC-PLASMAERO Public Workshop
  • 発表場所: Toulouse, France
• [学会発表] Near-Wall Enstrophy Generation in a Drag-Reduced Turbulent Channel Flow with Spanwise Wall Oscillation (2012)
  • 著者名/発表者名: Ricco, P., Ottonelli, C., Hasegawa, Y. & Quadrio, M.
  • 学会等名: Joint ERCOFTAC-PLASMAERO Public Workshop
  • 発表場所: Toulouse, France
• [学会発表] Comparing Various Drag-Reduction Techniques in the Money-vs-Time Framework (2012)
  • 著者名/発表者名: Quadrio, M., Frohnapfel, B. & Hasegawa, Y.
  • 学会等名: Joint ERCOFTAC-PLASMAERO Public Workshop
  • 発表場所: Toulouse, France
• [学会発表] 層流における伝熱促進のための壁面形状最適化 (2012)
  • 著者名/発表者名: 長谷川洋介
  • 学会等名: 日本機械学会熱工学コンファレンス
  • 発表場所: 熊本
• [学会発表] The Nature of Optimal and Suboptimal Controls in Dissimilar Heat and Momentum Turbulent Transport (2012)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, Y., Yamamoto, A. & Kasagi, N.
  • 学会等名: 7th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer (THMT2012)
  • 発表場所: Palermo,Sicily, Italy
• [学会発表] 壁乱流における運動量と熱輸送の最適非相似制御 (2012)
  • 著者名/発表者名: 長谷川洋介,山本彬,笠木伸英,鹿園直毅
  • 学会等名: 日本流体力学会年会
  • 発表場所: 高知
• [学会発表] The Drag-reduction Oscillating-wall Problem: new insight after 20 years (2012)
  • 著者名/発表者名: Ricco, P., Ottonelli, C., Hasegawa, Y. & Quadrio, M.
  • 学会等名: 9th European Fluid Mechanics Conference (EFMC9)
  • 発表場所: Rome, Italy
• [学会発表] Reevaluation of Control Performance for Turbulent Skin Friction Drag Reduction in terms of Energy Saving and Convenience (2012)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, Y., Frohnapfel, B. & Quadrio, M.
  • 学会等名: 9th International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modeling and Measurements (ETMM9)
  • 発表場所: Thessaloniki,Greece
• [学会発表] Arrangement of Sensors and Actuators in Reactive Turbulence Control Schmemes (2012)
  • 著者名/発表者名: Stroh, A., Hasegawa, Y. & Frohnapfel,B.
  • 学会等名: 9th International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modeling and Measurements (ETMM9)
  • 発表場所: Thessaloniki, Greece
• [学会発表] Non-Sinusoidal Wall Oscillation for Drag Recution (2012)
  • 著者名/発表者名: Cimarelli, A., Frohnapfel, B.,Hasegawa, Y., De Angelis, E. & Quadrio,M.
  • 学会等名: 83rd Annual Meeting of the International Associate of Applied Mathematics and Mechanics
  • 発表場所: Darmstadt, Germany
• [学会発表] Assessment of Flow Control Techniques in Terms of Time and Energy Savings (2012)
  • 著者名/発表者名: Frohnapfel, B., Hasegawa, Y. & Quadrio, M.
  • 学会等名: 83rd Annual Meeting of the International Associate of Applied Mathematics and Mechanics
  • 発表場所: Darmstadt, Germany
• [学会発表] Reactive Turbulence Control Schemes in a Spatially Developing Turbulent Boundary Layer (2012)
  • 著者名/発表者名: Stroh, A., Simon, R., Hasegawa, Y.,Frohnapfel, B., Khujadze, G. & Oberlack, M.
  • 学会等名: 83rd Annual Meeting of the International Associate of Applied Mathematics and Mechanics
  • 発表場所: Darmstadt, Germany
• [学会発表] On the Effect of Superhydrophobic Surfaces in Turbulent Channel Flow (2012)
  • 著者名/発表者名: Turk, S., Dachiel, G., Hasegawa, Y. & Frohnapfel, B.
  • 学会等名: 83rd Annual Meeting of the International Associate of Applied Mathematics and Mechanics
  • 発表場所: Darmstadt, Germany
• [学会発表] The Nature of Optimal and Suboptimal Controls in Dissimilar Heat and Momentum Turbulent Transport (2012)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Hasegawa
  • 学会等名: 7th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer
  • 発表場所: Palermo, Sicily, Italy
• [学会発表] 層流における伝熱促進のための壁面形状最適化 (2012)
  • 著者名/発表者名: 長谷川洋介
  • 学会等名: 日本機械学会 熱工学コンファレンス
  • 発表場所: 熊本
• [学会発表] On the Evalutation of Control Performance in Drag Reducing Flows (2011)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, Y., Frohnapfel, B. & Quadrio, M.
  • 学会等名: 64th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 発表場所: Baltimore, U.S.A.
• [学会発表] Simultaneous Achievement of Drag Reduction and Heat Transfer Augmentation in Wall Turbulence by Optimal Control Theory (2011)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, A., Hasegawa, Y. & Kasagi, N.
  • 学会等名: 64th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 発表場所: Baltimore, U.S.A.
• [学会発表] Effects of Spatially Varying Slip Length on Friction Drag Reduction in Wall Turbulence (2011)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, Y., Frohnapfel, B. & Kasagi, N.
  • 学会等名: 13th European Turbulence Conference (ETC13)
  • 発表場所: Warsaw, Poland
• [学会発表] The Influence of Sensors with Limited Frequency Resolution and Noise Pollution in Reactive Control Schemes (2011)
  • 著者名/発表者名: Stroh, A., Frohnapfel, B., Hasegawa, Y., Kasagi, N. & Tropea, C.
  • 学会等名: 6th Int. Symp. on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP6)
  • 発表場所: Ottawa, Canada
• [学会発表] Mechanism of Dissimilar Momentum and Heat Transfer Induced by a Traveling Wave-Like Blowing/Suction in Turbulent Channel Flow (2011)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, Y. & Kasagi, N.
  • 学会等名: 6th Int. Symp. on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP6)
  • 発表場所: Ottawa, Canada
• [学会発表] Drag reduction and heat transfer augmentation (2011)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, Y. et al.
  • 学会等名: Annual Meeting of APS Division of Fluid Mechanics
  • 発表場所: Baltimore, USA
• [学会発表] Mechanism of Dissimilar Heat Transfer (2011)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, Y., Kasagi, N.
  • 学会等名: Int. Symp on Turbulence and Shear Flow Phenomena
  • 発表場所: Ottawa, Canada
• [産業財産権] 熱交換器 (2012)
  • 発明者名: 鹿園直毅,長谷川洋介
  • 権利者名: 東京大学
  • 産業財産権番号: 2012-251290
  • 出願年月日: 2012-11-15
• [産業財産権] 熱交換器 (2012)
  • 発明者名: 鹿園直毅,長谷川洋介
  • 権利者名: 東京大学
  • 産業財産権番号: 2012-251291
  • 出願年月日: 2012-11-15
• [産業財産権] 熱交換器 (2012)
  • 発明者名: 鹿園直毅，長谷川洋介
  • 権利者名: 東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2012-251291
  • 出願年月日: 2012-11-15
• [産業財産権] 熱交換器 (2012)
  • 発明者名: 鹿園直毅，長谷川洋介
  • 権利者名: 東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2012-251290
  • 出願年月日: 2012-11-15