非定常流れにおける三次元伝熱面形状最適化アルゴリズムの構築と実証

2018 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 17K14587
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 流体工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 亀谷 幸憲 東京大学, 生産技術研究所, 特任助教 (60759926)
• 研究協力者: 長谷川 洋介 ; 深潟 康二
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 形状最適化 / 乱流 / 伝熱 / 数値シミュレーション / 実験

研究成果の概要

乱流熱対流場における複雑伝熱面の形状最適化アルゴリズムの構築と実験実証を実施した．本研究では，時間平均した支配方程式（RANS）に基づく随伴解析に，直接数値シミュレーション（DNS）を実施することで得られる乱流統計量を組み合わせるRANS―DNSハイブリッド型のアルゴリズムを構築した．開発したアルゴリズムをピンフィン及び波状フィンに適用してアルゴリズムの検証を行った．樹脂３Dプリンタを用いて供試体を製作し、非定常法及び微差圧計を用いた実験実証を行った．形状最適化による熱交換性能向上機構の考察から，乱流場では潜在的に熱伝達率が高いため流体抵抗の減少によって性能が向上する傾向が見られた．

自由記述の分野

熱流体工学

研究成果の学術的意義や社会的意義

非線形の強い乱流熱対流場での，随伴解析に基づく形状最適化は数理的困難を含む．しかし，今回開発したRANSとDNSを組み合わせる手法は乱流理論やコンピュータ能力の発達を背景に拡張性が非常に高く，今後さらに精度の高い形状最適化へと拡張されるポテンシャルを含んでいるため，学術的に非常に意義がある．また，乱流場での高効率な熱交換器の設計は環境負荷軽減に重要な役割を果たすため，非常に大きな社会的意義がある．