| 研究課題/領域番号 |
19KK0097
|
|---|
| 研究機関 | 東北大学 |
|---|
研究代表者 |
丸田 薫 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (50260451)
|
|---|
| 研究分担者 |
中村 寿 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (40444020)
森井 雄飛 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (50707198)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2019-10-07 – 2025-03-31
|
| キーワード | 大規模解析 / 燃焼 / プラズマアシスト燃焼 |
|---|
| 研究実績の概要 |
米国発の大規模数値解析ライブラリと，これと高親和性の研究分担者開発による計算高効率化手法とを組合せ，反応性流体の大規模数値計算を実施している．当グループ独自のマイクロ燃焼現象，さらに実用燃焼器を模した小容器内における正ヘプタンの着火・燃焼現象に関する実験（他大学による先実験）を標準現象として，継続可能な共同開発環境の整備をすすめている．
これまで，次世代燃焼技術（着火促進）として期待される非平衡プラズマアシスト燃焼の数値解析を実施してきた．当初予定した海外渡航は実施不可であったが，非平衡プラズマアシスト燃焼に関する数値的研究を進め，プラズマ反応から着火～燃焼完了まで包括的な数値計算を行う手法に道筋をつけ，2021年には非平衡プラズマによる着火効果に関する学術論文を公刊した。換算電界の大小によるプラズマ反応の進行が，単純なエネルギーの大小のみならず，電界付与と局所的な化学種の分布状況に依存することを示している．
また，数値解析ライブラリと計算高効率化手法との組合せによる，他大学で実施された実験（着火～火炎伝播～異常燃焼であるノッキング）との比較による検証に取り組んでいる．スパコンで3ヶ月ほどを要した大規模数値計算を完了し，実験結果と圧力履歴および可視化画像からみた現象の全体像とが一致する結果を既に得ており（原著論文発表済），さらに詳細なメカニズム分析および考察を進め，現在，第2報の論文執筆の最終段階にある．またマイクロ燃焼現象における不安定振動燃焼の数値解析もすすめており，投稿済みの原稿は査読者から高い評価を得ている．
|
| 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
米国で開発されたオープンソースの超大規模数値解析ライブラリと分担者らによる化学反応計算高効率化手法を組合せたソフトウェアの開発を完了し，従来手法では解析が難しい規模の燃焼解析の実施を可能とした．2021年度も引き続き，次世代自動車エンジンの高効率化にとって重要な要素の一つであるノッキングの現象理解を目指し，既存の実験を標準現象とする２次元直接数値解析を実施，現象全体を理解しメカニズムを説明する見通しを得るに至っている．実験に関して公表されている可視化画像と圧力履歴に加え，本数値計算により追加の詳細な情報（ノッキングにおいて場を支配する現象の遷移など，実験では取得が不可能なデータ）の抽出に成功している．今後のエンジン・ノック抑制に重要な知見を得ており，エンジン試験への適用も期待される．マイクロ燃焼現象における不安定振動燃焼の数値解析では，冷炎と振動燃焼が干渉する場合，しない場合の全体像を良く再現する計算結果を得ており，国際学術誌に原著論文を投稿した。査読では高い評価を得ており，2022年度の早い段階で公刊できると見込んでいる．当初計画に含まれる海外渡航については，引き続きコロナ禍の収束状況を見ながら進める予定である．
|
| 今後の研究の推進方策 |
2021年度までに計画されていた渡仏等は延期を余儀なくされたが，研究打ち合わせは数回実施し，ソフトウェア開発も着実にすすんでいる．今後も当初の目的が達成できるように進める予定である．なお2022年度の渡仏に関しても見通しはコロナ禍の動向によると考えられ，柔軟な対応が必要と考えている．
2022年度は，FREIの実験および数値計算，実施したノッキング現象に関する数値計算結果の分析をさらに進める．FREIの実験及び数値解析は様々な条件で実施し，主として冷炎とFREIの干渉を対象とした検証を行う．数値解析の高精度化に向けて化学反応機構の微修正も試みる．こちらは当初計画では研究分担者1名がNUIGに滞在する予定であったがやはりコロナ禍の収束次第という側面がある．大規模燃焼数値計算については，既実施の正ヘプタン燃料の場合の結果分析に加え，混合燃料・燃料種の拡大を進め，普遍的な現象解明を目的とする．2022年度からは着火から火炎伝播に至る実験研究 (別予算)も進める．これに対応する数値計算も開始しており，研究分担者開発による計算高効率化手法がよく機能し，比較的大型の化学種についても計算が可能になっている．2022年度の海外渡航については，コロナ禍の収束を見据え，柔軟に進めていく．2023年度には化学種の改質による着火～燃焼実験を対象とする数値計算を実施する．実用燃料は多種成分の混合物であることからサロゲート燃料に対する現象の数値計算も実施する．2024年度には，開発ソフトウェアを用い，本研究の代表・分担者ら及び国際共同研究者らとで共同の解析を実施し，モデルのアップデート及びさらなる高速化を進める．
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
初年度の2019年は，11月に開催された東北大学流体科学研究所が毎年主催する国際会議International Conference on Flow Dynamics (ICFD)にて，招へいしたLuc Vervisch教授と今後の打ち合わせを実施した．ソフトウェア開発にあたり，担当大学院生二人とともに2019年12月にLuc Vervisch教授が所属するINSA RouenNormandie /CNRS CORIAにて共同研究の打ち合わせおよび共同研究の実施を予定していたが，フランスでのストライキ発生のため，ベルギーで開催された講習会に参加，その後の研究に関して研究分担者が打ち合わせを実施した．その後，2020年初頭にコロナ禍が発生，2021年度までの渡航計画については延期せざるを得ず，2022年4月現在もコロナ禍の動向が流動的であり，状況を注視しつつ，柔軟に対応する予定である．
|
