| 研究課題/領域番号 |
25289037
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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, 講師 (30396783)
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| 研究分担者 |
鹿園 直毅 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30345087)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 対流 |
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| 研究実績の概要 |
デカルト座標系に境界埋め込み法を組み込むことによって、複雑３次元形状を有する熱流動現象のシミュレーションコードを開発すると共に、形状最適化アルゴリズムの導出、組み込みを行い、与えられた任意の目的関数を最小化／最大化させるよう、形状最適化が可能であることを確認した。このコードを検証するために、熱交換器の伝熱面形状最適化を目的として、従来型の境界適合格子を用いた形状最適化との比較を行った。その結果、本コードによって、界面近傍の精度が高いと考えられる境界適合格子を用いた場合と、ほぼ同等の最適形状が得られることが分かった。従来の境界適合格子を用いる計算では、大きな境界の変形の扱いが困難であったが、本計算では、その制約が取り除かれ、複雑な３次元構造へ容易に拡張可能である。実際、本研究で開発したコードによって、境界適合格子では得ることが難しい、複雑最適形状の取得を確認した。
次に、現実の熱交換で用いられている、複雑な伝熱面形状を数値計算コード内に取り込み、形状最適化を行うことによって、圧力損失を出来るだけ抑えつつ伝熱性能を飛躍的に促進することに成功し、性能向上に向けた設計指針を抽出した。この時、既に、低次元の設計空間において最適化されたものを初期条件として用いており、本研究では、そこから全自由度を考慮した最適化を実施した。その結果、更なる性能向上が確認されていることから、本手法の有効性が確認できた。更に、乱流に代表される非定常流れにへの拡張を目的として、非定常流における形状最適化アルゴリズムを開発し、本コードへの実装を行った。
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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
現実の熱交換器で用いられる複雑形状を数値的に再現し、その最適化を行うことで、圧力損失と伝熱特性を同時に考慮しつつ、形状最適化が可能であることを確認しており、本研究で構築した計算手法を検証した。また、低次元の設計空間において最適化された伝熱面形状に対して、本手法を適用することによって、更なる性能向上が確認されていることからも、本手法の有効性が確認できた。また、これまでは定常流のみを対象としていたが、非定常流における形状最適化アルゴリズムを新たに開発し、コードへの実装が完了しており、今後、乱流などの幅広い流れ場への適用の可能性が拡がった。以上より、当初の計画通り順調に進展していると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
既に、最適化を行った熱交換器に関して、初期形状と最適化された形状における熱流動場を比較することによって、形状変化による性能向上のメカニズムの解明を行う。具体的には、局所の熱伝達率や流動抵抗を比較することによって、それらと形状変化の関係を明らかにする。また、共同研究者、及び企業と共同して、最適化された伝熱面の実験実証を引き続き継続する。また、非定常性を有する乱流場において、本手法を様々な伝熱面に適用し、その有効性を確認する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
複雑形状の最適化アルゴリズムの開発において、想定していなかった興味深い結果が得られたため、その詳細を調査するために時間を要し、当初予定していた試作、実験実証、および学会発表を延期したため。
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| 次年度使用額の使用計画 |
得られた成果の学会発表、及び最適化された伝熱面形状の試作費用として利用する予定である。
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