| 研究課題/領域番号 |
23K26034
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| 補助金の研究課題番号 |
23H01339 (2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2023) |
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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 | 東京大学 |
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研究代表者 |
長谷川 洋介 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30396783)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)
2025年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2024年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2023年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
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| キーワード | 乱流 / 熱伝達 / トポロジー最適化 / 付加製造 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
圧力損失を抑えつつ，伝熱促進を実現する伝熱面の開発は，工学応用のみならず，学術的にも運動量輸送とスカラー輸送の相似性の観点から極めて重要である．本研究では，流れやそれに伴う温度場の全時空間スケールを解像する直接数値シミュレーションに基づき，乱流伝熱面の形状/トポロジー最適化のためのアルゴリズムを開発し，これを様々な既存の伝熱面へ適用する．得られた最適形状を3Dプリンタにより試作し，その伝熱・圧力損失特性を実証する．最終的には，形状/トポロジー最適化，プロトタイプの試作，実証実験，性能向上の機構解明までを一気通貫で行う，新しい伝熱面設計のためのフレームワークを構築する．
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| 研究実績の概要 |
複雑形状をデカルド座標系に埋め込み、任意の形状周りの流れや熱伝達を解くための統合的ソルバーの開発を行った。開発し
たコードと既存の境界適合格子を用いた計算結果との比較を通じて、本計算手法の検証を行い、本研究で開発したソルバーの解は、既存の手法の解へ十分な精度で収束することを確認した。また、Volume penalization法に基づいたトポロジー最適化のアルゴリズムを導出し、乱流伝熱面の形状最適化を行うためのシミュレーションコードを構築した。構築したコードにより複数列のピンフィンのトポロジー最適化に応用し、圧力損失を抑えつつ、飛躍的な伝熱促進を実現するフィン形状を得た。
実験系開発においては、評価用風洞に圧力センサ、非定常法による熱伝達のためのヒーター、熱電対による温度計測システムを組み込み、既存の伝熱面を試作して、その圧力損失、伝熱性能を計測し、過去の実験データとの比較を行うことにより、構築した実験系の計測精度を確認した。
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| 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
当初予定していたコード開発、検証を終えており、一方で、実験計測装置の開発も並列で順調に進んでおり、非定常法という比較的簡便ではあるが、精度に課題が残る計測手法において、既存の伝熱面においてシミュレーション結果や過去の実験計測結果と良好な一致が確認できており、次年度以降、最適伝熱面が得られた際には、その性能向上を確認できる実験精度が担保できているため。
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度において構築したトポロジー最適化アルゴリズムを異なる典型的な伝熱面へ適用し、既存の圧力損失・伝熱特性をどの程度向上できるか明らかにするとともに、最適形状の有する特徴を抽出することにより性能向上における機構の理解、解明を進める。また最適化された形状を試作し、非定常法によりその圧力損失・伝熱性能を計測することにより、本研究で開発したアルゴリズムの検証を行う予定である。
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