【研究領域課題番号】20H02308 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

建築環境・設備 / 都市防災 / 流体工学 / シミュレーション工学

【研究成果の概要】

安全・快適かつスマートな都市空間の創出に資するため、本研究は市街地（マイクロ）および都市（メソ）スケールにおける風況（風速・風向）を対象に、スパース（疎）に配置されたセンサーの計測データを入力値とする空間解像度およびリアルタイム性の高い分布推定手法の開発を行う。当該年度においては、特に市街地スケールにおける風況推定手法の開発に取り組んだ。市街地気流の瞬時分布は、主にその乱流的特性によって複雑な様相を見せる。しかし、市街地気流は一定の境界条件においては、流れの空間・時間的な相関性・周期性から有限の代表的なパターンを示すと考えられ、センサーから得た有限な観測情報からこれらのパターンの強度を特定できれば、市街地気流のリアルタイムな分布推定を実現できる可能性がある。このような特性を利用した分布推定手法として、固有直交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)と線形確率推定(Linear Stochastic Estimation, LSE)を組み合わせた方法（以降、POD-LSE）がある。本研究では、まず市街地モデル空間を対象とした非定常乱流解析モデルLarge-eddy simulationにより市街地気流の瞬時速度場分布のデータベースを構築した。このデータベースをもとに、POD-LSEによる瞬時気流推定を行い、同手法の有効性の検証を行った。また、さらなる推定精度の向上を目指し、LSE以外の推定手法に関しても検討を行った。その他にも都市スケールにおける風況推定手法の開発へ向けた気候データの分析などを実施した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】建築環境・設備

【研究領域課題番号】17H04945 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

建築環境・設備 / 確率論 / 流体工学 / シミュレーション工学

【研究成果の概要】

都市や建築空間中に存在する未知の汚染物質発生源に起因する空気汚染に関して、センサーによる濃度計測値とコンピュータによる気流および濃度予測値をベイズ統計と呼ばれる確率論的方法論で融合し、より高い精度かつ高い空間解像度で環境中の濃度分布推定を行う方法を開発した。この方法の構築に必要とされる各要素技術の拡張や高精度化、高効率化を行うとともに、実験データなどをもとにした実証解析により提案した各手法の有効性を明らかにした。

【研究の社会的意義】

都市や建築といった環境中の空気汚染の解析においては、計測またはコンピュータによる解析のどちらかを選択するというのが従来の基本的な考え方であった。しかし、両者にはそれぞれに長所および短所が存在する。本研究の成果は、両者を有機的に接合することで、互いの短所を補いつつ長所を強め、従来の方法論ではなし得なかった高い精度および高い空間解像度での空気汚染物質濃度の評価を実現するものである。本研究では、このような考え方に基づく濃度解析において、学術的にも新たな知見を多く提供するとともに、最終的には人々の居住空間の空気の質を高め、その健康や快適性の向上に資することを目指した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円)

【研究分野】生産工学・加工学

【研究領域課題番号】16H07174 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

指向性エネルギー堆積法 / 付加加工 / シミュレーション / インコネル625 / 粒子法 / 熱伝導 / 機械工作・生産工学 / シミュレーション工学 / 熱工学 / 流体工学

【研究成果の概要】

金属材料の3次元造形に適した指向性エネルギー堆積法(DED: Direct Energy Deposition)の時間領域シミュレータを開発するにあたり，本研究では熱伝導，レーザー，キャリアガス，固液相変化といったDEDプロセスに含まれる物理現象を解析するアルゴリズムを個々に作成し，これらのモジュールを統合する．開発したDED時間領域シミュレータを用いて，造形物内部の空孔や残留応力の発生メカニズムを明らかにし，造形物の形状精度向上も評価に含め造形条件の最適化を行う．
本年度の成果としては，熱伝導モジュールとレーザーモジュールの開発に注力し，両者を統合した加工点温度予測アルゴリズムを構築した．DEDにおける造形精度低下の主要因として，加工点の溶融金属の表面張力が過加熱によって低下すること挙げられる．開発した加工点温度予測アルゴリズムは造形条件から造形物内部の温度分布を時間領域で解析できる．本研究ではこれを逆算的に利用することで，加工点の温度を一定に保つレーザー出力計算法を提案した．算出したレーザー出力をDED造形に利用した結果，高層造形時の過加熱の抑制に成功し，造形物の形状誤差が大幅に低減することが実験的に明らかとなった．また，造形条件ごとの空孔発生率の評価実験は完了しており，高レーザー出力，少材料粉末供給といった加工点温度を安定して高められる造形条件が空孔の発生を抑制できることを示している．これらの研究成果をもとに，3回の国際会議発表と4回の国内会議発表を行い，国際誌への論文投稿を行っている．現在，粒子法に基づく流体解析法の開発に着手し，温度に応じた粘性，表面張力特性を粒子に与えることで溶融金属の流動解析法の確立を目指している．今後の予定としては，溶融金属の流動解析を開発した加工点温度予測アルゴリズムに統合し，造形物内部の空孔発生メカニズムを理論的に明らかにする．

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2016-08-26 - 2018-03-31

【配分額】2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】15H03916 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

数値流体力学 / 多相流 / 自由界面流れ / 非構造格子 / 計算手法 / 数値流体モデル / 計算物理 / 流体工学 / シミュレーション工学 / 流体 / 自由界面流

【研究成果の概要】

工学応用に広く用いられる非構造格子における多相流数値流体力学モデルの計算精度及びロバスト性を一層改善するために，本研究企画を実施した。高性能な数値モデルの開発及び実証を中心に研究を遂行し，次の主な成果が得られた。①任意形状要素，混合要素を持つ非構造格子における三次精度高性能数値流体力学コアを構築した。②複雑非構造要素における高精度自由界面捕獲法を開発した。③非構造格子における高性能な自由界面多相流汎用CFDモデルのフレームワークを構築した。④自由界面多相流数値モデルを検証するための実験データセットを整備し，数値モデルの実証を行った。本研究によって工学上実用性の高い高性能数値モデルを確立した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】26630047 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

流体工学 / 固体地球惑星物理学 / 計算力学 / 火山爆発 / 破砕 / き裂 / フェーズフィールド法 / 火山 / レオロジー / 可視化 / シミュレーション工学

【研究成果の概要】

爆発的火山噴火のトリガーである発泡マグマの破砕過程を解明するための室内実験と数値シミュレーションを進めた．まず，X線CT撮影により内部の3次元空隙構造を把握した発泡マグマ模擬材料を用いた急減圧実験，その試料の応力分布を算出する３次元有限要素法解析から，き裂進展のきっかけとなる気泡周りの応力集中と実験で見られたき裂発生箇所が良く一致することを示した．次に，フェーズフィールド法と有限要素法のカップリングによる，マクスウェル粘弾性体内き裂進展計算ソルバを開発した．モデル計算として，切欠きを有する２次元平板の一軸引張過程を解いたところ，粘度の違いによるき裂進展過程の変化をとらえることに成功した．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】建築環境・設備

【研究領域課題番号】26709041 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

建築環境・設備 / 自然現象観測・予測 / 大気現象 / 流体工学 / シミュレーション工学

【研究成果の概要】

本研究では、計算流体力学に基づいた微気象予測と実環境計測データを活用し、都市の空気・温熱環境の精緻な解析手法に関する研究を行った。まず、計算流体力学による大気環境解析の精度検証および精度向上に関する検討を行った。また、大気環境観測の高空間解像度化に関する技術開発を行った。さらに数値予測と計測を統計モデルで融合することによって環境解析の高精度化および解析値の不確かさ評価を実現する手法を開発した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】23,790千円 (直接経費: 18,300千円、間接経費: 5,490千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】25709008 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

キャビテーション / 気泡核 / 物質移動 / 気泡力学 / レーザー誘起衝撃波 / 粘弾性体 / 流体工学 / 熱工学 / シミュレーション工学 / 非ニュートン流体

【研究成果の概要】

粘弾性体キャビテーションにおける多重スケール現象の解明を目的とした，実験・数値シミュレーション連成の非侵襲ハイブリッド計測法の開発を行った．ゼラチンゲルに対するパルスレーザーの集束照射によりマイクロ径の気泡核を生成し，溶存ガスの物質移動に基づき気泡核のサイズを制御した．生成した気泡核を起点とする単一キャビテーション気泡のミクロ観察から，ゲル粘弾性の定量評価を行った．さらに，ゲル中のレーザー誘起衝撃波と単一気泡との干渉により生じる負圧を利用したキャビテーション気泡群のマクロ観察を行った．圧縮性流体シミュレーションより構築した圧力場と実験観察の直接比較から，キャビテーション初生圧力を算定した．

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】24,830千円 (直接経費: 19,100千円、間接経費: 5,730千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】21226018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

流体工学 / 航空宇宙工学 / シミュレーション工学 / 計算機システム / 流体騒音 / 自動車工学 / 超臨界流体 / 数値流体力学 / 航空工学 / 空力最適化 / 並列化 / 流体

【研究成果の概要】

本研究は航空機等の空力設計に使われている現行CFDが抱える様々な課題、例えば計算結果の物理モデル依存性や複雑形状に対する作業量増大等を抜本的に解決することを目指したものである。計算機の更なる性能改善を念頭にBuilding-Cube Methodを提案し、実用化のための様々なアルゴリズム研究を行った。
その成果の一つとして、自動車周りの流れを京コンピュータ上での世界トップレベルの大規模数値計算で再現した。本CFDアプローチが、極めて複雑で且つ不完全なCADデータからでも直接に流体計算を行えることを示したことは、航空機や自動車の空力設計プロセスを革新的に変える可能性を持ち、その意義は大きい。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2009-05-11 - 2014-03-31

【配分額】214,240千円 (直接経費: 164,800千円、間接経費: 49,440千円)

【研究分野】数学一般(含確率論・統計数学)

【研究領域課題番号】20540108 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

数理物理 / 数理工学 / シミュレーション工学 / 流体工学

【研究成果の概要】

スペクトル差分法で使用される等角写像の拡張と適用性を検討した.写像の単葉性をパラメータを有する関数族について検討したほか,多重連結性の条件を明示的に導入し,境界形状が指定されても等角写像関数は一意に定まらないために多重連結領域に対する具体的な写像関数例を示した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】19206086 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超音速流れ / 数値流体力学 / 風洞実験 / ソニックブーム / 航空宇宙工学 / 流体工学 / シミュレーション工学 / 設計工学 / ソフトコンピューティング

【研究成果の概要】

超音速複葉翼理論とは,2枚の翼を向かい合わせに配置し,衝撃波を干渉させることで,造波抵抗をなくし,ソニックブームの低減を図る理論である。本研究では,本理論の根幹となる3次元翼形状の定義とパラメトリックスタディによる最適形状の決定,数値計算と低速風洞試験をあわせた超音速複葉翼の低速性能推定,超音速複葉翼に固有の始動過程に関する超音速風洞試験,バリスティックレンジを利用した超音速複葉翼による世界で初めての超音速飛翔実験,ラジコン機による低速飛行試験等を実施し,理論の構築と検証を行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】48,750千円 (直接経費: 37,500千円、間接経費: 11,250千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】15360091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

流体工学 / 数値流体力学 / 乱流 / 反応流れ / シミュレーション工学 / 可視化 / 火炎 / ラージ・エディ・シミュレーション / flameletモデル / スプレー流れ / 燃焼器

【研究成果の概要】

資源や環境の有限性が具体的に意識されるようになった今日、特にエネルギー環境問題において重要な位置を占める産業用ガスタービンや輸送機器エンジン等の燃焼流れを対象に、Flameletアプローチに基づくラージ・乱流燃焼場ラージ・エディ・シミュレーション(LES)による数値解析モデリングを確立して、代替燃料や厳しい環境規制に対応しうる合理的な燃焼流れ設計法としての導入を図ることを目的とした。この解析法をマクロスケールでは実用に即した流れ条件にも拡張すること、メゾスケールでは非予混合火炎における不均一な化学反応効果をモデル化すること、ミクロスケールには粒子や火炎内部の現象をデータベース化することによって、より広範囲な燃焼流れ問題に対応し得る数値予測法を開発するにあたり、解決すべき3つの課題を取り上げて以下の成果を挙げた。
(1)燃焼流れの特性を予測し得る乱流解析モデルの研究として、乱流LESとflameletアプローチに基づく解析法を提案した。特に、予混合火炎面に対するG方程式モデルと拡散火炎に対する保存スカラーモデルを連成した2スカラーflameletモデルを提案し、これを実用ガスタービン燃焼器の乱流燃焼予測に適用し、その有効性と問題点を明らかにした。
(2)流れ変動と干渉する化学反応効果の抽出の研究として、流れ変動と化学反応の干渉の複雑な干渉を検討する1ステップとして、スプレー噴霧によるバーナ燃焼を取り上げて、乱流中と粒子の運動、蒸発、燃焼の過程をLES法に基づきモデル化し、実験計測データとの比較によって、物理過程モデルの有効性を検証した。
(3)マルチスケール連成解析における数値計算・可視化の融合技術の研究として、可視化画像を用いた計測法を取り上げ、噴霧流れを対象に計測技術の基礎的な研究を行うとともに、可視化計測と数値シミュレーションを融合した可視化処理システムに関する研究を行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】14,700千円 (直接経費: 14,700千円)