| 研究課題/領域番号 |
19K14870
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
古田 幸三 京都大学, 工学研究科, 特定助教 (20833031)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 構造最適化 / レベルセット法 / ボルツマン輸送方程式 / 微視構造 / 熱伝導 / ダイオード特性 |
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| 研究実績の概要 |
従来自然界に存在しない熱伝導特性を示すものとして，ダイオード特性がある．この熱整流器の研究開発は，2000年代後半から理論的検討から始まり現在に至るまで，実験的検討を含め幾つかの報告がなされている．その中での課題として，理論値と実験で開発された材料での性能に大きな乖離があることが挙げられる．熱整流器の性能を表す指標として，高温側の物質における熱コンダクタンスと低温側の物質における熱コンダクタンスとの比で定義される熱整流係数がある．理論的には，この熱整流係数が10以上のものが存在するのに対して，実験値としては従来1.1を超える程度のものがほとんどであった．そこで，本課題では最適設計法の考え方に基づき，この熱整流性を持ったナノ構造設計案の創成を行う．ナノ構造内では，フーリエ則に従う等方的な熱の伝搬ではなく，弾道的に熱が伝播する．さらに，材料界面において温度が不連続になるような強い非線形性を持った物理現象となる．本申請課題では，ダイオード特性を持った革新的な熱伝導材料実現のための最適設計手法の構築を行う．本年度は，昨年度に引き続き，非線形性，温度の不連続性に着目したナノ構造における熱伝導問題を対象としたレベルセット法に基づく形状最適設計法の構築を行なった．そこで，従来の熱伝導問題を対象とした最適設計では得られないナノスケール特有の熱伝導現象を利用した最適構造が得られた．また，本提案手法で定式化した系の温度差最大化と温度差最小化をそれぞれ目的関数とした多目的最適化問題の定式化を行なった．そして，現在その提案手法をもとにしたアルゴリズム構築，数値実装，計算を行なっている．
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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
本年度は，昨年度構築した「ナノ構造における熱伝導問題を対象としたレベルセット法に基づく構造最適設計法」をもとに，数値計算例を増やし，その中でダイオード特性を実現する上で，非線形性，温度の不連続性の有効性を確認した．そして，系の温度差最大化と温度差最小化をそれぞれ目的関数とした多目的最適化問題の定式化を行なった．また，この成果に基づき数値実装等を進めている．以上の理由により，計画はおおむね順調に進展していると評価する．
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度は，昨年度から引き続き提案手法の数値実装を進め，数値計算を通し手法の妥当性を検証する．提案手法では，これまでに構築した最適設計法に対して，熱の流れを系内で反転させ二回計算することで，ダイオード特性を持った熱伝導材料の導出を行う．そのため，昨年度より構築に取り組んでいる，計算機を複数台使用するMPI並列化技術の導入を進め，現実的な計算時間内で最適化結果を得られるようなアルゴリズム，数値実装を行う予定である．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初計画では，今年度少なくとも二度国際学会での現地発表を予定していた．しかしながら，COVID-19の影響により学会が全てWeb開催となり，また，国内外の出張を全て取りやめたためである．
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