【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】流体工学

【研究領域課題番号】25420129 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

流れの制御 / 空力抵抗 / 制御理論 / 数値シミュレーション / 流体力学 / 流体工学 / 乱流 / 実験

【研究成果の概要】

本研究の目的は，乗用車やトラック車両などの空力抵抗をさらに低減するため，壁に沿う乱流の摩擦抵抗や一般的な形状の物体周りの流れの制御に関する基礎理論を確立することである．壁乱流の摩擦抵抗低減に関しては，一様吹出し・吸込み制御および進行波状壁面変形制御の実用化に向けて克服すべき様々な効果の影響を数値シミュレーションによって検証するとともに，波長空間におけるモード解析を行った．また，任意形状の物体に働く空力抵抗の低減のために，まず圧力抵抗，摩擦抵抗やエネルギー散逸と流れ場の物理量との間の関係を数学的に定式化し，それに基づく制御手法を提案し，円柱，角柱，および任意形状物体周りの流れにおいて検証した．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2013-04-01 - 2018-03-31

【配分額】5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)

【研究分野】天文学

【研究領域課題番号】22684006 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁気流体力学 / 計算物理 / 乱流 / 波動 / 降着円盤 / 太陽風 / 恒星風 / 原始惑星系円盤 / 数値シミュレーション / 宇宙物理 / 磁気流体 / 天体風

【研究成果の概要】

以下の2課題の研究に取り組んだ。
(1)降着円盤の大局的高解像度3次元磁気流体シミュレーションを行い、円盤の温度分布が回転周波数分布を通して、磁場増幅に大きな影響を与えることを指摘した。さらに、理想磁気流体近似が成立する場合でも、磁気乱流における磁力線のつなぎ変えにより、質量の流れと磁束の動きが異なるとの成果を得た。
(2)活動的な太陽型星の磁気流体シミュレーションを行ない、波動の反射の非線形減衰に起因する不安定機構により、表面からのエネルギー注入の微妙な変化が、外層の恒星風強度の大きな変化を引き起こすことを明らかにし、太陽風が過去に1000倍近く高強度になり得ることを指摘した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2015-03-31

【配分額】25,610千円 (直接経費: 19,700千円、間接経費: 5,910千円)

【研究分野】プラズマ科学

【研究領域課題番号】22340169 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁気リコネクション / 相対論的プラズマ / 粒子加速 / 放射減衰 / 乱流 / 高エネルギー天体 / 数値シミュレーション / 乱流加速 / フェルミ加速 / 相対論プラズマ

【研究成果の概要】

相対論的高温プラズマ中での磁気リコネクションは、超高温プラズマシートを閉じ込めるために強磁場領域で存在するので、リコネクションの時間発展に伴って作られる相対論的高エネルギー粒子は、シンクロトロン減衰を受ける。輻射減衰効果を取り入れた相対論的電磁粒子コードでリコネクションの粒子加速を調べた。その結果、輻射減衰によってプラズマシートとガス圧が下がり、高速リコネクションが起きることがわかった。また更に、孤立系でのリコネクションだけでなく、複数のプラズマシートが相互作用する複数の磁気島が相互作用する系についても研究し、粒子加速の効率が著しく向上することを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】21244071 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地球磁場 / 地球流体核 / ダイナモ作用 / 磁場変動観測 / 室内実験 / 数値シミュレーション / 乱流 / 地球ダイナモ / 液体金属 / 熱対流 / 数値モデリング

【研究成果の概要】

液体金属を用いた熱対流実験と数値シミュレーションを行い、レーリー数、外部磁場及び対流槽の回転速度によって、対流の様相がどのように変化するかを調べ、ダイナモ作用の原動力である地球中心核内の対流運動の活発さやエネルギー散逸量と、地表で観測可能な地球磁場とその変動との関係を見出した。本実験により外部磁場とレーリー数のある範囲内で熱対流パターンの不規則かつ自発的な逆転現象が発見されたことは、地球磁場の逆転の起源を解明する上で重要な進展である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】44,330千円 (直接経費: 34,100千円、間接経費: 10,230千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】20246036 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

乱流 / 流体制御 / 能動制御 / 数値シミュレーション / MEMS

【研究成果の概要】

人類社会は,エネルギー資源の枯渇,環境保全等の地球規模の課題に直面しており,熱流体システムのより一層の高効率化が望まれている.乱流制御は,運動量/熱/物質の輸送現象,騒音,化学反応の操作を通じて,熱流体機器の効率を格段に向上させる可能性を秘めている.本研究では,最も基礎的な系である壁乱流を対象とし,能動制御の中でも,流れの状態に依らず,予め決められた制御入力を与えるプレディターミンド制御に着目し,抵抗低減効果,伝熱促進効果の飛躍的な向上を目指した基礎研究を実施した.具体的には,エネルギー削減の観点から,省エネルギー率,制御利得という新たな制御指標を導入し,既存の制御則を再評価すると共に,進行波状の制御入力が抵抗低減に与える効果について,詳細な解析を行った.また,これまで内部流において蓄積された制御指針を外部流に応用し,乱流境界層における新たな制御指針を得た.また,伝熱と摩擦の非相似制御を目的とし,速度場とスカラー場の支配方程式,及び境界条件に立ち返って,非相似伝熱促進が生じるためのシナリオを整理した.更に,制御理論を応用することで,単純なプレディターミンド制御入力によって,有意な非相似伝熱促進が可能であることを実証した.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】49,660千円 (直接経費: 38,200千円、間接経費: 11,460千円)

【研究分野】水産学一般

【研究領域課題番号】18405030 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ヨーロッパイガイ / 低次生物生産 / 乱流 / 安定同位体 / 干潟 / 底生珪藻 / 懸濁態有機物 / 潮汐混合 / 生物生産 / 沿岸環境 / 食物連鎖 / ムール貝 / 数値シミュレーション / メナイ海峡 / 炭素窒素同位体比 / 沿岸生態系 / ウェールズ大学 / クロロフィル

【研究成果の概要】

乱流混合が強い英国メナイ海峡域の干潟では、外部からの浮遊性植物プランクトンの流入よりも底生珪藻による基礎生産が大きく、また、底生生物であるヨーロッパイガイ(ムール貝)は底生珪藻と懸濁態有機物を主要な餌資源とする可能性が示された。しかし、ムール貝は懸濁態有機物中のデトライタスを餌として積極的に利用することはなく、その成長には底生珪藻の寄与が極めて大きいことが分かった。結論として、従来考えられてきた外部からの浮遊性植物プランクトンの流入が、高いムール貝の資源量を維持しているのではなく、乱流混合に伴う底生珪藻の生産が重要であることが明らかになった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】15,150千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 1,650千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】18204038 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地球磁場 / ダイナモ作用 / 磁場観測 / 室内実験 / 数値シミュレーション / 乱流、古地磁気測定 / 地球流体核 / 乱流 / 古地磁気測定 / 地球コア

【研究成果の概要】

本研究では、磁場変動の観測、室内実験、及び数値シミュレーションを相互に連携して進めた。
磁場変動の観測では、北西太平洋海底の2 観測点での長期計測を実現し良質なデータを得た。
室内実験では、液体金属の熱対流に水平及び垂直方向の磁場を印加し、磁場強度の増加による対流の様相並びに乱流スペクトルの変化をとらえることに成功した。
数値シミュレーションでは、球殻熱対流ダイナモを数多くの設定で実現し詳細な解析を行った。
これらを総合することで、地球流体核の乱流状態に関する示唆が得られた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】34,190千円 (直接経費: 26,300千円、間接経費: 7,890千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】16760119 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

数値シミュレーション / 流体工学 / 熱工学 / バイオ / 混相流 / 乱流

【研究成果の概要】

ライフサイエンス分野,及びエネルギー・環境分野における幅広い熱化学流動現象を取上げ,それらをほぼ統一的に解析するシミュレーション手法を開発した.各サブテーマのシミュレーションにおける成果は以下の通りである.
1.マイクロセルソータ用混合器:ラミネーションの原理を用いたマイクロ混合器のシミュレーションを行い,混合性能を劣化させる機構を定量的に解明し,その機構に基づく改良型混合器を提案した(Chaktranond, Fukagata & Kasagi,投稿準備中).
2.熱交換器内気液二相流:変形する界面の捕捉および蒸発による質量・体積変化に対する高精度・高効率計算手法を開発し,マイクロチューブ内二相流挙動のシミュレーションを行った.その結果を解析することにより,マイクロ二相流における流動・伝熱機構の一部を解明した(Fukagata, Kasagi, Ua-arayaporn & Himeno,投稿中).
3.燃料電池内熱化学流動:低マッハ数条件下での変物性非等温圧縮流に対する高効率数値計算手法を開発し,固体酸化物型燃料電池の三次元熱流動場・電場連成解析を行った.また三次元解析の結果を用いて計算負荷が低くかつ精度の高い一次元モデルを開発・検証した(Suzuki, Shikazono, Fukagata & Kasagi,投稿中).
4.乱流制御:超撥水面による乱流摩擦抵抗低減の直接数値シミュレーションを行い,抵抗低減効果を予測する理論式を構築した(Fukagata, Kasagi & Koumoutsakos,投稿中).
5.噴流制御:インテリジェントノズルによる噴流混合制御の三次元シミュレーションを行い,詳細混合促進機構を解明した(Mitsuishi, Fukagata & Kasagi,投稿中).

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)