【研究領域課題番号】19H02076 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃焼騒音 / 希薄予混合火炎 / 旋回火炎 / 水素燃焼 / 乱流 / 壁面 / 計測 / 数値シミュレーション / 予混合火炎 / 実験 / 数値解析

【研究成果の概要】

本研究では，精巧な実験と高精度の数値解析を併用することより，燃焼騒音の発生・変調メカニズムを，特に壁面の影響に着目して明らかにすることを目的とした．本研究により，騒音スペクトルの音圧レベル(SPL)のピークは，壁面を設置することにより不明瞭になり，その特性が壁面と火炎の距離に応じて変化することが分かった．また，この変化が壁面と接触することにより火炎形状が変化し，火炎から直接放出される音波の特性が変化することや，その火炎から直接放出された音波が壁面反射波と干渉することに起因することを明らかにした．さらに，開発した数値解析手法が燃焼騒音特性に及ぼす壁面の影響を精度よく予測可能であることを示した．

【研究の社会的意義】

燃焼騒音に関する研究の歴史は古く，数多くの研究が存在するが，そのほとんどは火炎から直接発生する直接燃焼騒音に関するものであり，壁面や周囲乱流渦等の外的因子の影響を受けて変調する間接燃焼騒音に関するものは極めて数少ない．本研究は，間接燃焼騒音の中でも特に取り扱いが困難な壁面の影響に着目し，そのメカニズムの一端を明らかにしたものであり，学術的意義は極めて高い．また，本研究において確立した数値解析手法は，様々な燃焼機器から生じる燃焼騒音，ひいては燃焼振動の特性を高精度に予測可能であり，脱炭素社会の実現につながる水素燃料利用促進技術の開発にも大いに役立つことが期待できるため，本研究の社会的意義も高い．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究分野】計算科学

【研究領域課題番号】17K14144 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ディープラーニング / 数値解析 / 機械学習 / マルチスケール / 数値シミュレーション / マルチスケール解析 / 熱伝導問題解析 / 不均質材料 / 深層学習 / 人工知能 / シミュレーション工学

【研究成果の概要】

本研究目的は，人工ニューラルネットワーク（ANN）とマルチスケール解析手法を融合した全く新しい数値シミュレーション法を開発することである．本手法が確立されれば，従来手法と同様の高精度解をより低コストに算出することが期待できる上，適用に制約がなく原理上あらゆる物理現象の解析が可能となる．
平成29年度は，提案法に用いるANNとして，画像認識能力に優れている畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を導入し，提案法を2次元の線形定常熱伝導問題に適用した．平成29年度に実施した数値実験により，CNNを導入した提案法は，ANNを使用しない従来のSDMとほぼ同等の解を算出し，さらに解析時間を短縮できることが分かった．
平成30年度は，SDMに加えて，マルチスケール解析手法の1種である領域分割法（DDM）とCNNを融合したマルチスケール解析手法を提案し，平成29年度と同様に2次元の線形定常熱伝導問題に適用した．また，CNNの学習に「知識の蒸留」と呼ばれる手法を導入し，提案法の更なる解析精度向上および解析時間の短縮を図った．平成30年度に実施した数値実験により，新たに提案した手法は，CNNを使用しない従来のDDMとほぼ同等の解を算出し，更に解析時間を短縮できることが分かった．さらに，解析精度については，平成29年度に提案した手法を大きく上回った．
以上の成果により，提案手法がSDMだけではなくDDMにも適用可能であることを実証した．さらに，今年度提案した手法は，昨年度提案した手法を大きく上回る解析精度を実現した．

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】構造工学・地震工学・維持管理工学

【研究領域課題番号】15K06194 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地盤液状化 / 橋台耐震補強 / 模型振動実験 / 数値シミュレーション / 連続地震 / 地盤液状化・再液状化 / 地盤・構造物相互作用 / 地盤の液状化・流動化 / 橋台の耐震補強 / 数値解析

【研究成果の概要】

模型振動実験および数値解析法にて地震時不安定地盤に設置された橋台の耐震性能および耐震補強工法について検討した。橋台前背面地表面の高低差によって地盤の拘束圧が異なる。背面地盤に比べ前面地盤の拘束圧が小さく液状化はしやすく、過剰間隙水圧の持続時間も長くなる。液状化が激しい前面地盤の支持機能が大きく低下し、背面地盤の土圧作用に加えて橋台の振動は前面へ偏り、地震後橋台およびその周辺地盤に大きな変形を残す事になる。
耐震補強について橋台の耐力を向上するグラウンドアンカー工法と地盤の耐力を向上する液状化対策工の地盤改良工法を検討した。グラウンドアンカー工法は橋台の応答変位を大きく抑制する事ができる。

【研究種目】基盤研究(Ｃ)

【研究期間】2015-10-21 - 2018-03-31

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】構造工学・地震工学・維持管理工学

【研究領域課題番号】26420455 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

維持管理工学 / 逆問題 / 数値解析 / 腐食モニタリング / 腐食量推定 / 数値シミュレーション / 犠牲陽極 / 電流量推定

【研究成果の概要】

本研究では少ない数の電位計測から海中の構造物表面の腐食電流を数値逆解析によりモニタリングする手法を開発した。以下の４点の着眼点に基づいた新しい逆解析のフレームワークを提案した 1) 構造物の幾何的情報が欠如している場合には仮想境界条件を適用する 2) 経験や勘に基づくあいまいな情報をファジー数および隠れ変数で表現し定量的に扱う 3) 多様な先験情報を統一的に統合するためにベイズ推定を適用する 4) 対象構造物に電流を印加する能動的計測により情報を補う。開発した解析手法の有効性を検証するために数値シミュレーションおよび実験を実施した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】14750719 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

数値解析 / 遷音速 / 遷移 / Large Eddy Simulation / 圧縮性流れ / 境界層 / 数値シミュレーション / LES

【研究成果の概要】

本年度は、遷音速ファンの性能解析において重要な技術課題である、衝撃波-層流境界層干渉に誘起される境界層遷移の数値シミュレーションを目標に昨年度開発したLESコードの改良を行い、流れ場の解析を行った。
まず、亜音速平板境界層のバイパス遷移のシミュレーションを行い、(1)実験結果とほぼ同じ位置で遷移が始まること(2)乱れ強さに応じて遷移位置が前後すること、を確認した。続いてGarnier & Sagaut(AIAA J. 40(2002))と同様の衝撃波-乱流境界層のシミュレーションを行った結果、圧力の2階微分に基づく衝撃波センサ関数では微弱な衝撃波を識別できないことが分ったため、速度ベクトルを用いた補正を行った。また、Roeスキームでは散逸過剰であったため、衝撃波付近の対流項評価にWENOスキームを採用した。以上の改良を施した結果、速度・乱れ全布や剥離位置が実験と一致する良好なシミュレーション結果を得ることができた。遷移と衝撃波-境界層干渉の双方で良好な結果が得られることを確認したのち、本題の衝撃波-層流境界層干渉に誘起された遷移のシミュレーションを行った。NASA MEMO 2-18-59Wの実験と同条件のシミュレーションを行った結果、実験と同様の摩擦係数分布を得ることが出来た。さらに流れ場を詳細に検討した結果、衝撃波が強い条件では剥離泡中ほど剥離剪断層で乱れが成長し始め、乱流遷移してから最付着するのに対し、中程度の衝撃波強度の場合には剥離泡後半から最付着点にかけて縦渦が成長し、最付着点下流で縦渦が崩壊して遷移に至る様子を明らかにすることができた。
以上から、本研究により従来のRANSベースのCFDコードでは解析困難であった衝撃波-層流境界層干渉に誘起される境界層遷移の数値シミュレーションを解析できる数値解析コードを開発し、さらに流れ場の詳細を明らかにすることができた。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,900千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】13308020 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

GPS / 逆解析 / 地域応力場 / 地域歪場 / 地域弾性係数 / 非線形最適問題 / モニタリング / 大規模数値解析 / 解析解 / 数値シミュレーション / 地域ひずみ場 / 数値解析 / 応力関数 / バックスリップ / 特異摂動

【研究成果の概要】

本研究の目的は地殻変動モニタの開発である.このモニタは,PSネットワーク電子基準点を含む地域に対し,計測されたデータから歪場の増分を計算し,釣り合い式を満たすよう,地域弾性係数とそれに伴う応力場の増分を推定するものである.応力場の推定を行う逆解析理論は全く新しい理論であり,それに基づく大規模数値解析手法を構築し,地殻変動モニタをコード化している.地殻変動モニタの妥当性は数値実験によって検証されている.離散的に計測されるデータに含まれる誤差を陽に取り扱っているため,安定した数値解析が可能であり,誤差の大きさに応じて,推定される弾性係数や応力場の確からしさが変化する.また,誤差が含まれるにもかかわらず,データ数が増えるほど推定される弾性係数の信頼度が向上する.実際のGPSデータを利用して地殻変動モニタの有効性を検証した.データの質と量を勘案し,地域のポアソン比の推定を行った.他に比べ計測データの変動が大きい地域ではポアソン比を推定することはできなかったが,それ以外の地域では0.2から0.3の間でポアソン比の推定が可能であった.この値はS波とP波の速度比から推定されるポアソン比と調和的である.なお,推定できない地域を除けば,列島の多くの部分では,ポアソン比はほぼ一様の値をとるか滑らかに変化するかのどちらかであるが,空間的に急変する地域もある.データの誤差に起因するモニタが推定する値の確からしさを定量的に評価するため,確率モデルとその解析理論を別途構築しモニタに適用している.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】31,460千円 (直接経費: 24,200千円、間接経費: 7,260千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】11450071 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

エロージョン / キャビテーション / 翼 / 数値計算 / 揚力係数 / 抗力係数 / ボイド率 / 圧力分布 / Cavitation / Bubble Dynamics / Pressure Wave / Numerical Analysis / Cavitation Erosion / Bubbly Flow / External Flow / Numerical Simulation

【研究成果の概要】

液体中に存在する微小な空気泡が,周囲圧力の変動に伴い,急激に成長・崩壊するキャビテーション現象は,流体機械・機器の性能に大きな影響を与える.中でもポンプインペラ,舶用プロペラなど流体機器壁近傍におけるキャビテーションの崩壊現象は,機器の壊食(エロージョン)をもたらし,機器の性能に影響を与えるだけでなく,重大な事故にもつながり得る.エロージョンに関しては,これまで,単一気泡の崩壊による働撃波の発生,マイクロジェットの生成による働撃圧などが議論されてきたが,これらの圧力は実際のキャビテーションで計測されるものに比べてはるかに小さく,エロージョンのメカニズムを説明するには至っていない.一方,流体機器内で発生するキャビテーションの多くは,気泡が集合した気泡雲の状態で存在し,そのようなクラウドキャビテーションは壊食性が強く,クラウド崩壊時には,数GPaの高い圧力が発生することが実験的に分かっている.本研究では,このようなクラウドキャビテーションの動力学を解析するため,ミクロスケールの現象である個々の気泡内部の熱現象,メゾスケールの現象である気泡の配置,マクロスケールの現象であるクラウド内部の圧力波の挙動の関係について,スケール間の干渉を合理的に組み合わせた多重スケール解析を用いて解析を行った.
解析に用いられた計算手法は,松本らにより独自に開発されたものである.この手法では,ミクロスケールの現象として,個々の気泡内部の熱・物質輸送を厳密に考慮し,気泡の体積変化および並進運動の方程式を精度良く計算する.一方,マクロの式としては,気泡を分散体として含む液体に対する質量,運動量の平均化方程式を解き,ミクロスケールを記述する個々の気泡に関する方程式と合理的にカップリングさせる.得られた計算結果より,気泡間相互作用により,クラウド崩壊時には単一気泡の崩壊時よりも,はるかに高い衝撃圧がクラウド中心近傍に発生することが示され,実験による高い圧力の発生のメカニズムに対して知見が得られた.さらに,液相部には張力を含む高周波の圧力変動が生じることなどが明らかとなった.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】14,400千円 (直接経費: 14,400千円)

【研究分野】建築環境・設備

【研究領域課題番号】07455230 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

換気効率 / 空調効率 / Purging Flow Rate / 模型実験 / 数値解析 / 換気 / 換気効率指標 / 数値シミュレーション

【研究成果の概要】

室内居住域の換気効率を具体的に評価するための新たな指標としてPurging Flow Rate(以降PFR)を開発し、室内外気取り入れ量決定の為の資料を整備した。今回開発したPFRは局所領域に流入する、汚染質の排出に直接有効な換気量を示す。即ち、居住域等の局所領域の換気性状評価には大変有効である。居住域の換気・空調効率、PFRに影響を与える要因として、吹出・吸込口位置、家具等の障害物、冷房・暖房時の温度差等が挙げられるが、これらの要因が換気・空調効率及びPFRに与える影響を模型実験及び数値解析により系統的に解析した。
模型実験では典型的居室の縮尺模型を用い、吹出・吸込口位置、障害物、温度差のパラメータが変化した際の気流、及び汚染質拡散性状を測定し、数値計算の検証となりうる高精度なデータを提供した。数値解析では模型実験と同条件により気流、汚染質拡散性状の解析を行うと共に、換気・空調効率及びPFRの系統的解析を行った。
模型実験及び数値解析により得られた解析データにより、居住域換気性状の構造的理解が可能となり、更にPFRを新たに定義することにより、汚染質挙動の構造をも直接評価する事が可能となった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】6,800千円 (直接経費: 6,800千円)

【研究分野】資源開発工学

【研究領域課題番号】01850141 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地下水制御 / 割れ目系岩盤 / グラウト / 粘土グラウト / 固液二相流 / 閉塞過程シミュレ-ション / 地下空間 / 岩盤割れ目 / 岩盤透水性 / 止水材料 / 数値シミュレ-ション / 透水性 / 止水効果 / 数値解析 / シミュレ-ション

【研究成果の概要】

前年度までは、実際の割れ目を含む岩石コアを利用した粘土懸濁液による目詰め実験を行ったが、今年度は、その目詰め過程が可視的に観察できる試験装置を製作し、いくつかのケ-スの実験結果の解析から目詰め過程のメカニズムを考察した。その概要は以下の通りである。
(1)2枚のアクリル盤にメッシュを挟み込み、単一の岩盤割れ目内の流路を模した可視的岩盤割れ目モデルを製作した。この装置の一方から懸濁液を注入し、割れ目充填過程の撮影、流量変化、排出濃度変化、排出粒度分布、閉塞粒度分布を測定した。ケ-ス設定としては、自然界の割れ目系の存在状態(走行傾斜、開口幅)を考慮し、粘土粒径分布と装置傾斜を変えることで目詰め状態の変化を計測し、以下の結果を得た。
・懸濁液中の粘土粒径が小さい場合には、装置内の目詰めは非常に緩慢となる。これは、粗い成分による一次的なフルイ効果が大きな要素であることを示している。
・装置の傾斜は閉塞過程の後期で大きな影響を持つ。これは、水平と高傾斜の場合とでは、重力方向の沈降効果に明かな差異があることを示しており、水平の場合の方が閉塞の進行が早い。
(2)既に、フルイ効果と濃集効果を組み込んだ数値シミュレ-タを作成しているが、さらに上記の結果を考慮し、重力による沈降効果を反映するようにプログラムの改修作業を行っている。まだ十分な結果は得られていないが、固液2相流の方向別の疑似関数の考慮により可能であろうと考えている。
(3)フィ-ルドにおける粘土グラウト施工時のデ-タに関しては、実際の地下空洞地域のグラウト計画の中で入手し、利用可能なものについて解析を行う予定である。

【研究種目】試験研究

【研究期間】1989 - 1991

【配分額】7,200千円 (直接経費: 7,200千円)