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次世代高速輸送機器開発のための物体表面近傍の超層的流体科学の創生

研究課題

研究課題/領域番号 23K26030
補助金の研究課題番号 23H01335 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分19010:流体工学関連
研究機関東北大学

研究代表者

焼野 藍子  東北大学, 流体科学研究所, 助教 (30634331)

研究分担者 中井 公美  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究員 (20897813)
阿部 圭晃  東北大学, 流体科学研究所, 助教 (40785010)
初鳥 匡成  京都大学, 工学研究科, 助教 (50812765)
奥泉 寛之  東北大学, 流体科学研究所, 技術専門職員 (60647957)
大林 茂  東北大学, 流体科学研究所, 教授 (80183028)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円)
2026年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2025年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2024年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2023年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
キーワード境界層 / 乱流 / 摩擦抵抗 / 静電気 / 可視化 / 遷移 / 制御 / 表面粗さ / データ同化 / 帯電 / 壁乱流 / 電気流体力学
研究開始時の研究の概要

本研究は,次世代輸送機器関連技術を革新する,特に壁極近傍で移動物体を帯電させ,さらに帯電により影響を受ける大気のナノサイズの気体分子運動と,マイクロサイズの粗さ影響を受ける乱流渦を考慮し,さらにデータ科学に基づくマクロサイズな視点ももって,実際に車や航空機など輸送機器に搭載可能な新しい技術構築をすること,そしてそれにより,「ナノ(気体分子運動)~マイクロ(乱流渦)~マクロ(輸送機)」の複数層をまたぐ新しい超層的流体科学の確立を目的とした研究を行う.

研究実績の概要

本研究は,次世代輸送機器関連技術を革新する,ナノサイズの気体分子運動と,マイクロサイズの粗さ影響を受ける乱流渦を考慮し,さらにデータ科学に基づくマクロサイズな視点ももって,実際に車や航空機など輸送機器に搭載可能な新しい技術構築をすること,そしてそれにより,新しい超層的流体科学の確立を目的とした研究を行う.
今年度はマイクロサイズの粗さ (Distributed Micro Roughness と命名) 影響による遷移過程への影響について一定の理解を得ることができた.小型風洞でバイパス遷移,直接数値計算でTollmien-Schlichting(TS)遷移をそれぞれ再現し,それに対するマイクロサイズの粗さ影響を調査した.バイパス遷移に対しては,粗面上では縦渦エネルギーが低減し乱流成長が遅延することを見出した.TS遷移に対し,同じ粗さ高さでも粗さ粒子がまばらで小さな場合は,遷移後の乱流エネルギーが低減し,摩擦抵抗を低減する可能性があることがわかった.
また,ナノサイズの気体分子運動への影響を解析するため,今年度は平板に帯電を保持するノウハウを獲得し,さらに電気的影響を受けにくいPIVや熱線流速計によらない,流れの可視化方法の開発を行なった.
さらに,マクロスケールの機器性能評価については,全機周りはRANS,表面付近は壁モデルを使用しないDNSによる,従来とは逆のハイブリッド的アプローチにより,低抵抗化デバイスの性能評価を行える技術基盤の構築を行うことができた.そしてデータ同化については,角柱周りでカルマン渦を生成する非定常な流れ場に対し,データ同化を用いて,従来の非定常RANSモデル係数を最適化することで,カルマン渦の周波数をよく再現できることを見出した.
そのほか,実用化に向けて企業の方々と話し合いを進めており,東北大学知財部と連携し技術の一部について特許出願を果たした.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

実験のデータ同化に関して,3年目以降に本格的に実施する予定で準備を進めていたが,すでに非定常流れに対し有用性を確認することができた.さらに,電気的影響を受けにくいと考えられる可視化法に関しては,銅析出など別分野への応用を目指した共同研究の立案,予算の獲得へと発展している.

今後の研究の推進方策

マイクロサイズの粗さ影響に関しては,直接数値計算によるパラメトリックスタディを通じてより優れた形状を見出し,その理由を説明,機構解明を進める.小型風洞での実験でも一定の効果を確認できたことから,次年度以降は,磁力支持天秤装置による抵抗値の直接測定を実施し,さらなる実証を行う.
ナノスケールの現象について,帯電量を保持した平板上での流れの可視化実験については,次年度以降さらに回数を重ね,最終的な結論を得る.それの結果次第で,ナビエ・ストークス方程式の体積力項のデータ同化による最適化や,分子運動に関するモデルの構築へ歩みを進めていく.
マクロスケールの機器性能評価については,逆ハイブリッドアプローチをより洗練させていく.構築した手法を用いて,DMRデバイスの効果検証も実施していく.

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 6件、 招待講演 4件) 産業財産権 (3件) (うち外国 1件)

  • [国際共同研究] Melbourne University(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Ecole Centrale de Lyon(フランス)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Imperial College London(英国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Effects of Surface Roughness and Free-stream Turbulence on Transition in Swept-Wing Boundary Layer2024

    • 著者名/発表者名
      Mori Yuji、Yakeno Aiko、Obayashi Shigeru
    • 雑誌名

      AIAA SCITECH 2024 Forum

      巻: 2024 ページ: 1565-1565

    • DOI

      10.2514/6.2024-1565

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Experimental Validation of the Suppression of Crossflow Instability by Sinusoidal Roughness Elements2024

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Sayaka、Yakeno Aiko、Konishi Yasufumi、Tokugawa N.、Hirota Makoto、Takami Hikaru、Obayashi Shigeru
    • 雑誌名

      AIAA SCITECH 2024 Forum

      巻: 2024 ページ: 0891-0891

    • DOI

      10.2514/6.2024-0891

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mach Number Effect on the Drag Reducing Performance of the Riblet in the Transition and Turbulent Flow2024

    • 著者名/発表者名
      Kaneko Kento、Oyama Akira、Yakeno Aiko、Hamada Shingo
    • 雑誌名

      AIAA SCITECH 2024 Forum

      巻: 2024 ページ: 0890-0890

    • DOI

      10.2514/6.2024-0890

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Drag reduction effect of distributed roughness on the transitional flow state using direct numerical simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Hamada Shingo、Yakeno Aiko、Obayashi Shigeru
    • 雑誌名

      International Journal of Heat and Fluid Flow

      巻: 104 ページ: 109230-109230

    • DOI

      10.1016/j.ijheatfluidflow.2023.109230

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Current wind tunnel activities in the Aerospace Fluid Engineering Lab, IFS Tohoku University2024

    • 著者名/発表者名
      Aiko Yakeno
    • 学会等名
      Magnetic Suspension Balance Systems Forum
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 次世代高速輸送機のための物体表面近傍の流れに関する研究2024

    • 著者名/発表者名
      焼野 藍子
    • 学会等名
      一般社団法人 精密工学会 ナノ精度機械加工専門委員会 講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 物体表面の流れの科学による次世代輸送機革新2023

    • 著者名/発表者名
      焼野 藍子
    • 学会等名
      一般社団法人 みやぎ工業会梵天会 令和5年度第一回研修会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Challenges of flow control for drag reduction around high-speed vehicles2023

    • 著者名/発表者名
      Aiko Yakeno
    • 学会等名
      AOS Workshop: Session-A @Smith Room in Suzzallo Library, UW
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Reproduction of unsteady observation data by optimization of turbulence model parameters using data assimilation2023

    • 著者名/発表者名
      Atsuhito Kawabata, Aiko Yakeno, Shigeru Obayashi
    • 学会等名
      10th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, THMT-23
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Flow Sensitivity Analysis for the Feedback Loop Phenomenon of Subsonic Jet Noise Generation2023

    • 著者名/発表者名
      Shota Morita, Aiko Yakeno, Christophe Bogey, Shigeru Obayashi
    • 学会等名
      iTi conference on turbulence
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Trials for friction drag reduction focusing on quasi-coherent flow structures around object surfaces2023

    • 著者名/発表者名
      Aiko Yakeno
    • 学会等名
      Mini-workshop of IFS_TU and PME_NTHU
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Data assimilation for Fluid engineering2023

    • 著者名/発表者名
      Aiko Yakeno
    • 学会等名
      Seminar at Prof. Richard Sandberg research group
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 層流域におけるリブレット粗さ効果に関する数値研究2023

    • 著者名/発表者名
      金子賢人, 大山聖, 焼野藍子
    • 学会等名
      日本航空宇宙学会第54期定時社員総会および年会講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [産業財産権] 剥離抑制装置及び移動体2023

    • 発明者名
      焼野 藍子
    • 権利者名
      焼野 藍子
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [産業財産権] ULTRA-FINE ROUGHNESS EFFECT ON TRANSITION DELAY USING DIRECT NUMERICAL SIMULATION2023

    • 発明者名
      焼野 藍子
    • 権利者名
      焼野 藍子
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 外国
  • [産業財産権] ULTRA-FINE ROUGHNESS EFFECT ON TRANSITION DELAY USING DIRECT NUMERICAL SIMULATION2023

    • 発明者名
      焼野 藍子
    • 権利者名
      焼野 藍子
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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