最近の研究事例の紹介

Key words: 乱流の知見を活かしたエネルギーの有効利用，省エネルギー技術の開発，安全性の向上

(1)壁乱流の大規模構造制御による抵抗低減技術の開発

粒子画像速度計測法(PIV法)と電気化学的測定を同時に適用し，円管流れにおける壁せん断応力と3成分速度場との関係を調べた．壁せん断応力に対する影響を調査するために，流動場を非常に大規模な乱流構造(VLSM)と大規模構造(LSM)に分離し，負の壁せん断応力変動が，VLSMに起因することを明らかにした．壁近くには一対の回転ロールモードがVLSMに現れ，そのスケールは円管半径Rの３倍以上に及ぶ．これに対して，より小さなLSMでは，反回転渦対は認められなかった．本論文では，円管流における回転渦対を発生させる長さスケール閾値が3Rであることが分かった．円周方向への壁せん断応力の2点相関は，壁近傍領域における蛇行（ミャンダリング））の影響を明らかにした．

  • A. Mehrez, et al., Taylor's frozen hypothesis of the pressure fluctuations in turbulent channel flow at high Reynolds numbers, Journal of Fluid Mechanics 972, A15, (2023).
    DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2023.692.
  • Yu Wang, et al., Characteristics of shear stress fluctuations in polymer solutions and their relation to turbulent structures in channel flows, Physics of Fluids 36, 105153 (2024).
    DOI:https://doi.org/10.1063/5.0230123

―＞研究成果は，共同研究「音響流放射を用いた乱流変動抑制による乱流摩擦抵抗低減法の研究」 川島英幹氏　国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所に展開する

(2)喉頭での発生音と渦構造の可視化

人間の発声は，肺からの空気供給，喉頭での発音，声道での伝搬及び共鳴，口での放射といったプロセスによ って成り立つ（下図(a)を参照）．喉頭がん等の病気による喉頭摘出後の音声コミュニケーションの喪失は，患者の QOL（Quality Of Life）を著しく低下させる要因として問題となっており，喉頭再建や代替発声法の発展のために 喉頭での音生成機構の本質的な理解が必要である． 発音器官である喉頭では，下図(b)に示すように発声時に声帯と呼ばれる組織が自身の粘弾と呼気流との相互作 用によって自励振動していることが知られており，声帯の自励振動による呼気流の断続が音源波を発生させる．本研究では声帯の振動を自励振動する実験モデルで模擬し，ハイスピードカメラを用いた PIV計測 によりモデル下 流の流動場測定を行う．流動場測定の結果から，音源ならびに遠方場での音圧を推定する．自励振動するモデル を対象とするため，音圧推定には Curle の式ではなく Ffowcs Williams-Hawking の式を適用する．推定された音圧 と実測音圧との比較を通して本実験モデルからの発生音の支配因子を解明した．また，本実験 モデル周囲の空間的，時間的な圧力変動の特徴を整理し，発生音の発生機構を明らかにした．

  • 喉頭での音の発生と流れの模式図
  • 渦構造から発生する音波
  • 小迫 誠弥 他，シャント発声でボイスプロステーシス周囲に形成される流動場構造, 日本機械学会論文集, 2021 年 87 巻 901 号 p. 21-00157, (2021).
    DOI: 10.1299/transjsme.21-00157
  • 小迫誠弥 他，壁乱流の声帯を模したモデル下流に形成される流動場構造が発生音に与える影響，日本機械学会論文集, 2021 年 87 巻 893号 p. 20-00255, (2021).
    DOI:10.1299/transjsme.21-00157
  • S. Kosako, et al., Downstream flow field structure in voice prosthesis and its effect on sound generation around the esophageal wall, Physics of Fluids 35, 025114 (2023).
    https://doi.org/10.1063/5.0134627

―＞研究成果は，愛知医科大学，名古屋大学医学部との共同研究に展開

(3)名古屋大学BNCTターゲット除熱，核融合科学研究所ブランケット徐熱技術の向上

BNCT では，予めがん細胞にホウ素（10B）を集積させ，正常組織に影響が少ない特 性をもつ中性子を照射して治療を行う必要があります．病院に設置できる加速器駆 動中性子源の開発が世界各地で進められていますが，今回開発した次世代型加速器 駆動中性子発生装置は，リチウムターゲットと低エネルギー静電加速器を組み合わ せることで，正常細胞に悪影響を及ぼすγ線・高速中性子などを抑制した「クリーン な低速中性子束」を発生することを可能にしました．また，リチウムは，低融点で容 易に液化してしまうことが課題でしたが，チタン薄膜でシールドするとともに，ビー ム照射でターゲット内に発生する高熱を画期的な高効率乱流冷却法で除去すること で，安全で安定的に保持，長時間運転を可能としました．　　名大プレス発表資料.pdf (okayama-u.ac.jp)

タングステンと酸化物分散強化銅を強靭に接合するための「先進的ろう付接合法」により，~10MW/m2以上の定常除熱が可能なダイバータ受熱機器の製造が核融合科学研究所で開発されている．この技術と本研究室で開発した高効率除熱法を融合させ，融合炉用新構造ダイバータ受熱機器の開発をおこなっている．

  • タンデム型リブを配置した除熱流路
  • M. Tokitani, Nucl. Fusion 61 (2021) 046016 (10pp)
    https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/abdfdb
  • M. Tokitani, et al., Plasma Wall Interaction of New Type of Divertor Heat Removal Component in LHD Fabricated by Advanced Multi-Step Brazing (AMSB), Fusion Science and Technology, 1-11, (2023).
    https://doi.org/10.1080/15361055.2023.2176184.

(4)QST核融合材料照射施設IFMIFの界面形状予測と機械学習

IFMIF ターゲット系におけるレーザープローブ法による液体 Li ジェットの自由界面データはレーザーの正反射を捕えて測定するという性質のため, 界面波形の局所の山と谷部分のみしか計測ができないために, 山と谷以外のデータに欠損が生じる. そこで, このような欠損値の補間を行う方法として機械学習の適用が期待される. 機械学習とは人工知能における研究課題の一種で, 事前に与えられたデータに潜む規則を反復的な学習により抽出し, 未知のデータに対する予測や判断を行うための計算技術である. 近年, コンピュータの性能向上に伴い各分野で応用が進んでいる機械学習を流体力学分野にも応用する動きが見られ盛んに研究が行われている. 本研究では, 乱流流動場を対象に熱線プローブで計測されたデータに対する機械学習の適用をふまえ， IFMIF ターゲット系の測定データに近いモデルとして, 時系列データを対象に機械学習を適用しその予測をおこなった.

  • 機械学習モデルの構築
  • 櫻井雄基 他, 機械学習を用いた乱流場速度欠損データの予測手法に関する研究, 日本流体力学会年会2021、2021年9月21日～23日（オンライン）.
  • 櫻井 雄基 他，機械学習による発達乱流場における乱流境界層内速度データの予測手法に関する研究，日本機械学会第 100 期流体工学部門講演会 予稿集 〔2022.11.12-13，熊本大学〕GS02-2(4ページ)．
  • 櫻井 雄基 他，液体リチウムターゲットの流動診断測定システムに関する研究、日本原子力学会 2023年秋の大会、2023年9月6日～8日、核融合中性子源セッション、講演番号[３L04]．

(5) エネルギープラントにおける配管減肉に関する研究

流れ加速型腐食(Flow Accelerated Corrosion, FAC)は発電所等のプラントで使用される炭素鋼配管流れ中で発生する配管減肉現象である．FACでは配管内部の流動場によって，配管の壁面から溶解した鉄イオンが拡散し，腐食が促進すると考えられている．そのため，配管減肉の検討にあたっては流動場・濃度場の両者を考慮に入れた検証を行うことが好ましい．また，FACは構造が単純な直円管部と比較して，T字管合流部やオリフィスといった逆流や旋回を含む複雑流動場が発生する配管要素において効果が顕著に現れるとされる．そのため，各配管要素において直円管と基準とした腐食の相対的強さを表す形状係数を正しく見積もることが重要である．T字管合流部における先行研究では定常計算(RANS)にて形状係数を求めている．しかし定常計算では十分な精度の形状係数分布を得ることはできておらず，精度向上には非定常性の噴流を再現できる計算を行う必要があると示唆された．上記を踏まえ本研究では，T字管合流部を対象に特定のフローパターンで非定常計算(LES)による流動場と濃度場計算を実施し，合流部における形状係数を導き，定常計算との差異について明らかにした．

  • T 字管の流れ方向断面における乱流エネルギーのコンター(上：RANS，下：LES)
  • Shan, F. et al, Large-scale energetic coherent structures and their effects on wall mass transfer rate behind orifice in round pipe. Journal of Fluid Mechanics, 927, A8　(2021).
    doi:10.1017/jfm.2021.761
  • Tatsuya Tsuneyoshi et al., Numerical calculation of heat transport process in complex flow field and comparison with experimental measurement, The 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS 13), Taichung, Taiwan, September 5-10, N13P1234(8pages), (2022).

(6) 世界最大Re数のチャネル乱流の直接数値計算

本研究ではベクトル型スーパーコンピュータを駆使し，世界最大レイノルズ数チャンネル乱流場の直接数値計算（Direct Numerical Simulation, DNS）を実行した．使用したコードは高次精度差分法に基づくDNSコードであり，地球シミュレータ2048ノードにおいて70 Tflop/sの実行演算速度を実現し，長時間時間積分を行ったDNS データベースの構築に成功した．得られたDNS データベースの計算精度を検証し，十分な精度を有していることを確認した．

  • 壁乱流における平均速度分布および乱れエネルギー分布の対数則を検証カルマン定数はκ=0.387となることを見出した．
  • Y. Yamamoto and Y. Tsuji, PHYSICAL REVIEW FLUIDS 3, 012602(R) (2018)
    https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.3.012602
  • Y. Kanaeda et al, PHYSICAL REVIEW LETTERS 122, 194502 (2019)
    https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.194502
  • Y. Yamamoto et al, Energy dissipation rate in the inertial sublayer of turbulent channel flow at large but finite, Physical Review Fluids 8 (3), 034606, (2023).
    https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.8.034606.

―＞研究成果は，共同研究「高レイノルズ数円管乱流の摩擦損失係数と普遍的速度分布型の確立のための国際共同研究」、古市 紀之氏　国立研究開発法人産業技術総合研究所に展開

(7)超流動乱流の可視化と微細粒子のラグランジュ軌道の解析

液体ヘリウムは2.17 [K]を境として常流動ヘリウム(HeI)から超流動ヘリウム(HeII)へと相転移を起こす．超流動ヘリウムは高い熱輸送性を持ち，非粘性流のように振る舞うことから，超伝導マグネット等における優れた冷却媒体としての利用が期待される．HeIIは，粘性とエントロピーを持たない超流動成分と，通常の流体と同様の性質を持つ常流動成分の2成分によって構成される．HeIIに熱を印加すると，2成分が熱カウンター流と呼ばれる内部対向流を形成することで熱輸送が行われる．HeIIにおける熱輸送の理解を深めるため，熱カウンター流に関する実験的・数値的研究が盛んに行われている．しかし，これまでの実験的研究では熱カウンター流を一様流と仮定したものが主流であり，壁面近傍における非一様流動場に関する知見は不足している．一方で，近年の数値的研究ではチャネルダクトの壁面近傍において量子渦と呼ばれる渦構造の存在密度が高くなる傾向が報告された．量子渦は熱カウンター流の相互摩擦として作用するため，HeIIの熱輸送性の低下を招くと予想される．以上の背景から，本研究ではチャネルダクトの壁面近くの熱カウンター流の非一様性を対象とし，流動場の空間構造を実験的に明らかにした．

  • 超流動乱流場の可視化とPTV解析
  • Lizhu Chen, Takumi Maruyama, Yoshiyuki Tsuji, Journal of Low Temperature Physics, Journal of Low Temperature Physics volume 208, pp.402–409 (2022).
    https://doi.org/10.1007/s10909-022-02691-2
  • Naoto Sakaki, Takumi Maruyama, Yoshiyuki Tsuji, Journal of Low Temperature Physics, vol. 208, pp.418–425 (2022).
    https://doi.org/10.1007/s10909-022-02674-3

―＞研究成果は，共同研究「渦運動による流体方程式の特異性と乱流の統計性の解明」， 木村 芳文氏 名古屋大学 に展開する

(8)高Re数実験乱流境界層の普遍速度分布に関する研究

鉄道総合技術研究所 大型風洞（米原風洞技術センター）において、高レイノルズ数乱流境界層の速度分布の計測をおこなった。

  • 辻 　義之，井門 敦志，西岡 通男, 高レイノルズ数乱流境界層における平均速度分布の普遍性に関する実験的研究, 日本機械学会論文集, 87 巻 904 号 p. 21-00280, (2021).　
    DOI　https://doi.org/10.1299/transjsme.21-00280
  • 辻 義之，井門 敦志，西岡 通男,高レイノルズ数乱流境界層における平均速度分布 （諸外国の大型風洞との比較）、日本機械学会論文集,88 巻 908 号 p. 21-00359, (2022).
    DOI https://doi.org/10.1299/transjsme.21-00359

(9) レーザードップラー流速計による円管乱流統計量の高精度計測

産業技術総合研究所 計量標準総合センター 工学計測標準研究部門 – 高レイノルズ数円管試験装置((Hi-Reff)において、世界最大レイノルズ数実験をおこなった。 円管乱流における測定体積の補正、高精度な乱流統計量のレイノルズ数依存性を明らかにした。

  • Yuki Wada, et al., European Journal of Mechanics / B Fluids, vol.91 (2022) pp.233–243.
    https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2021.10.007
  • Marie Ono, et al., Reynolds number dependence of inner peak turbulence intensity in pipe flow, Physics of Fluid, vol.34, 045103 (2022).
    doi: 10.1063/5.0084863.
  • Marie Ono, et al., Reynolds number dependence of turbulent kinetic energy and energy balance of 3-component turbulence intensity in a pipe flow, Journal of Fluid Mechanics 975, A9, (2023)..
    DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2023.842.

(10)多孔体微細構造制御による相変化熱輸送促進

多孔体内での気液二相流に関する研究を行っている。特に、ポアネットワークシミュレーション、 X線CT、熱流動の可視化などによって多孔体の微細構造と熱輸送との関係を解明することや 微細構造を熱的に最適にする設計方法について調査している。

  • M. Nishikawara, H. Nagano, and M. Prat, Numerical Study on Heat Transfer Characteristics of Loop Heat Pipe Evaporator Using Three-Dimensional Pore Network Model, Applied Thermal Engineering, Vol. 126, No. 5, pp. 1098-1106, 2017.
    https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.02.050
  • M. Nishikawara, Pore network simulation of loop heat pipe evaporator with different pore size distribution, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 218, 124739, 2024.
    https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124739

(11)電気流体力学(EHD)現象を利用した先進熱流体機器の開発

冷媒や油などの絶縁性流体に高い電圧を印加すると流動が発生する．これを電気流体力学(EHD)現象という．EHDによる流動は電極を設置するだけなので，構造がシンプル，軽量，機械的な可動部がない，騒音・振動がない，電気的な流動制御が可能などの特徴があり，ポンプ，バルブ（流量制御），熱伝達促進など熱流体機器への応用を検討している．EHDが適用可能なのは，液体強制対流および沸騰・凝縮などの相変化熱輸送であり，EHD流動を応用することにより高熱伝達化，高精度な制御，高機能化などが可能になると考えられる．図に示すようにこれまでに，ミリからマイクロスケールEHDポンプの開発，EHDポンプを利用した熱流体ループの開発，それらに関連したEHDシミュレーションなどを行ってきた．

  • プレスリリース, 高温・極寒の宇宙環境に耐える熱制御技術を開発, 2024.6/11.
    https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/2024/06/post-673.html
  • M. Nishikawara, N. J. O’Connor and J. S. Yagoobi, Numerical Study of Dielectric Fluid Bubble Behavior in Microchannel Evaporator in Presence of Diverging Electric Field, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 59, no. 2, pp. 2413-2420, 2023,
    https://doi.org/10.1109/TIA.2022.3230015
  • M. Nishikawara, T. Miyakita, G. Seshimo, H. Yokoyama and H. Yanada, Demonstration of heat switch function of loop heat pipe controlled by electrohydrodynamic conduction pump, Applied Thermal Engineering, Volume 249, 123428, 2024.
    https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.123428

(12)太陽熱利用ループヒートパイプの開発

太陽熱エネルギーの利用促進のため、多孔体内で働く毛細管力を流体駆動力として利用する熱エネルギー輸送機器であるループヒートパイプを利用した太陽熱利用デバイスを開発している。ラボスケールの100 W級デバイスを屋内試験にて動作実証した。現在は屋外用デバイスの開発を行っている。本デバイスは太陽熱温水器とは異なり、ポンプや水道圧力源が不要なので、インフラの整ってない場所における太陽熱利用による省エネやCO2排出量削減に活躍するものと考えられる。

  • NEDO若手研究者産学連携プラットフォーム
    https://wakasapo.nedo.go.jp/seeds/seeds-4903/
  • 西川原 理仁，石田直輝，横山 博史，柳田 秀記，太陽熱利用に向けた大きな吸熱面積を有するループヒートパイプの開発， 第59回 日本伝熱シンポジウム, H313, 岐阜, 2022年5月.