乱流伝熱面トポロジー最適化とその実証実験

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23H01339
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長谷川 洋介 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30396783)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: 乱流 / 熱伝達 / トポロジー最適化 / 付加製造

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。

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。

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。

研究成果

• [雑誌論文] Multi-objective topology optimization of heat transfer surface using level-set method and adaptive mesh refinement in OpenFOAM (2024)
  • 著者名/発表者名: Chen, D., Kumar, P., Kametani, Y., Hasegawa, Y.
  • 雑誌名: International Journal of Heat and Mass Transfer 巻: 221 ページ: 125099
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.125099
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Implementation of a level-set based volume penalization method for solving fluid flows around bluff bodies (2024)
  • 著者名/発表者名: Kumar, P., Kumar, V., Chen, D., Hasegawa, Y.
  • 雑誌名: Physics of Fluids 巻: 36 ページ: 013608
  • DOI: 10.1063/5.0175971
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Heat transfer and pressure loss characteristics of an offset fin with oblique waves (2023)
  • 著者名/発表者名: Gong, J., Onishi, J., Komatsu, Y., Mao, N., Kametani, Y., Hasegawa, Y., Shikazono, N.
  • 雑誌名: International Journal of Heat and Mass Transfer 巻: 200 ページ: 123522
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123522
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Shape optimization for drag reduction in flow past a circular cylinder in the unsteady laminar regime (2023)
  • 著者名/発表者名: Kumar, P., Chen, D., Kumar, V., Hasegawa, Y.
  • 学会等名: 10th International and 50th National Conference on Fluid Mechanics and Fluid Power (FMFP)
  • 国際学会
• [学会発表] Multi-objective topology optimization of heat exchangers by using a customized optimizer in OpenFOAM (2023)
  • 著者名/発表者名: Chen, D., Kumar, P., Hasegawa, Y.
  • 学会等名: 14th International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements
  • 国際学会
• [学会発表] Topology optimization of a pin-fin array for heat transfer enhancement and pressuer drop suppression in turbulent flow (2023)
  • 著者名/発表者名: Kumar, P., Chen D., Han, X., Hasegawa, Y.
  • 学会等名: 60th Japan Heat Transfer Symposium
• [学会発表] Shape and Topology Optimization for Coupled Conductive, Convective and Radiative Heat Transfer Problems (2023)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, Y.
  • 学会等名: 9th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 長谷川研究室 ホームページ
  • URL: http://www.ysklab.iis.u-tokyo.ac.jp