研究室紹介

Home > 教員・研究分野一覧 > 機械宇宙学科 分野紹介

機械宇宙学科 分野紹介

反応性気体力学分野
教  員
タナハシ マモル
店橋 護 教授
mtanahas@mes (
東工大教官情報
シムラ マサヤス
志村 祐康 准教授
mshimura@navier.mes (
東工大教官情報
ミナモト ユウキ
源 勇気 助教
yminamot@mes
東工大教官情報
研究概要

乱流の直接数値計算

  乱流の直接数値計算(Direct Numerical Simulation; DNS)は,流れ場の運動を記述するNavier-Stokes方程式及び連続の式を高精度離散化手法を用いて,モデルを一切使用せず直接計算する方法で ある.現在,DNSは実験的に得ることが困難な詳細な情報を手に入れることのできる重要な研究ツールとなっている.本研究室では,スーパーコンピュータを 駆使して数億の格子点を用いて種々の乱流場を再現している.

 これらのDNSから,乱流場に は流れ場に依らない普遍的な微細構造,『コヒーレント微細構造』が存在することが明らかになっている.『コヒーレント微細構造』は工学上重要となる抵抗低 減,伝熱促進,スカラー輸送などに大きな役割を果たしている.そのため,本研究室ではそれらの特性を把握し,モデル化あるいは乱流制御を行うことを目的と して研究を行っている.


一様等方性乱流(Reλ=270.1)

乱流燃焼の直接数値計算

  乱流燃焼のDNSは,乱流場の計算に加えエネルギー方程式や化学種保存式を解く必要がある.火炎は本来多くの化学種と素反応によって構成されており,その 内部構造まで解像するためには,より高い空間分解能と細かい時間刻みが必要となる.水素・空気を燃焼させた場合,十数化学種及び数十の素反応,メタン・空 気の場合には百数十化学種,数百の素反応にも及び,それらをすべて考慮する必要がある.

 乱流火炎では,火炎と微細な渦との作用が局所的な燃焼特性を支配している.そのような現象を三次元的に捉え,乱流燃焼の特性を解明することで,実用燃焼器の高効率化と低環境負荷化を行うとともに,次世代燃焼器の基礎となる知見を得ることを目的としている.


水素・空気乱流予混合火炎(Reλ=97.1)

高時間・高空間分解能時系列 Stereoscopic PIV

  粒子画像流速計(Particle Image Velocimetry; PIV)は,流れ場の流速計測方法の一つであり,二次元平面もしくは三次元体積における速度2成分または3成分の多点同時計測することができる.しかし, 従来のPIVは点計測である熱線流速計やLDVに比べて時間分解能が低く(数十Hz程度),キロヘルツオーダーの変動を有する乱流場の計測には不十分で あった.

 本研究室では,工業加工用の高出力・高周波数Nd:YAGレーザーと高速度 CMOSカメラを用いることにより,キロヘルツ級の時間分解能を有するStereoscopic PIVシステムの開発に成功した.その最高時間分解能は26.7kHzに達し,これは世界で最も高速なPIVである.このPIVシステムを用いることに よって乱流研究のさらなる進展がもたらされると考えられる.


噴流における計測結果(1.799 kHz)

CH-OH PLIF/Stereoscopic PIV 同時計測

  乱流火炎の局所構造を明らかにする手法として平面レーザ誘起蛍光法(PLIF)が多く用いられている.OH PLIFは乱流火炎の瞬間的な未燃領域と既燃領域の識別が可能である.CH PLIFは,火炎面近傍にのみ存在し火炎面で鋭いピークを示すCHラジカルを計測することで,乱流火炎の瞬間的な火炎面を特定することが可能であ る.CH-OH PLIF同時計測により,乱流予混合火炎の構造に関するより多くの重要な情報を得ることができる.

  乱流燃焼のメカニズムを明らかにするには,PLIFによって得られる火炎構造とともに,乱流場の特性を明らかにすることが非常に重要である.しかし,過去 の研究の多くのほとんどは単一のラジカルのPLIFと2次元平面による速度2成分もしくは3成分の同時計測に限定されていた.本研究室では,乱流予混合火 炎の局所火炎構造を解明するために,CH-OH PLIFとStereoscopic PIVの同時計測システムを開発した.このシステムをスワール燃焼器の高強度な乱流予混合火炎に適用し,2つのラジカル濃度と速度3成分の同時計測に世界 では始めて成功している.


局所火炎構造
キーワード 乱流,乱流燃焼,乱流熱・物質輸送,直接数値計算,スーパーコンピューティング,
レーザー計測,次世代推進・エネルギーシステム,
(熱工学,流体工学,環境工学)
所在地 東京工業大学大学院 理工学研究科
機械宇宙システム専攻 店橋研究室
〒152-8552 東京都目黒区大岡山2-12-1
TEL: 03-5734-3181 (店橋 護 教授)
研究室サイト 店橋研究室

※ メールアドレスは記載されているアドレスに「.titech.ac.jp」を付加。