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九州大学大学院工学研究院 機械工学部門

Flow Control Systems Laboratory

流体制御研究室

 

 

 

 

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研究内容

Research

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研究室行事

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研究室について

 

私たちの研究室では,主に流体機械とその構成要素の内部流れにおける諸現象の研究を行っています.

流体機械とは水や空気などの流れる流体と機械との間でエネルギーを交換する機械の総称です.流体にエネルギーを与える流体機械としては,空気を圧縮して燃焼器などに供給する圧縮機や,大量の空気をボイラなどに送り込むのに使用される送風機,上水を各家庭に供給したり燃料をエンジンに送り込むのに使われるポンプなどがあげられます.整体の身体中に血液を送り込む心臓および人工心臓もポンプの1つと言えます.また,流体からエネルギーを受け取る機械としては,蒸気や燃焼ガスのエネルギーを効率よく回収して発電するためのタービン,風のエネルギーを取り込む風車,水力発電に利用される水車などがあげられます.

私たちは,これらの流体機械の高効率化,諸現象の解明,低落差水位などの低エネルギーの有効利用などの研究を通じて,社会に貢献しようと日々努力しています.

 

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学生研究室(W4-826

実験室(EN31

 

 

 

研究テーマ

 

流体機械の高効率化

キャビテーションの現象研究

 

 

 

 

ダリウス形水車Gr

インデューサGr

キャビテーションGr

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二重反転形ポンプGr

トルクコンバータGr

熱キャビテーションGr

P1030999

 

 

 

多段遠心ポンプGr

 

 

ミクロキャビテーションGr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ダリウス形水車Gr

ダリウス形水車の高性能化とその河川流・潮流利用

 

エネルギー問題や環境問題に対する解決策として再生可能エネルギーの積極的利用が考えられます。再生可能エネルギーの1つである水力、特にエネルギー換算で100kW以下の、マイクロ・ナノ水力は、賦存量が多く環境への影響も小さいため積極的な利用が期待されます。しかしながら、その実現には初期投資および維持費の低廉な発電システムの開発が欠かせません。本研究グループではダリウス形水車を用いた水力発電システムの開発を目的とし研究を行っています。ダリウス形水車は構造がシンプルで高出力という特徴をもつ一方で、性能予測法が確立されていません。そこで本研究では設置条件がダリウス形水車の性能に及ぼす影響について実験、解析的に調査し、水車性能予測法の確立を目指しています。

 

 

 

 

二重反転形ポンプGr

二重反転形軸流ポンプの不安定現象,損失メカニズムと最適化

 

近年,環境および経済的目的のために,高比速度軸流ポンプはより高い性能と小型化が要求されています.高比速度軸流ポンプに二重反転形翼車を適用することより,小型化及び良好なキャビテーション性能を達成することができます.本研究では,CFDに基づくシミュレーションを行い,内部流れを予測し損失を評価しています.また,数値計算を検証するための実験も行っています.さらに,人工ニューラルネットワーク(ANN)と遺伝的アルゴリズム(GA)を応用して,後段翼車の最適設計を行っています.

 

二重反転形翼車

逆流渦

 

 

多段遠心ポンプGr

多段遠心ポンプの非定常流動・振動計測

 

発電所や上下水道,各種産業プラントなどに広く利用される高圧ポンプは,非設計点における運転を余儀なくされる場合が多く,特に低流量運転時に,ポンプ内部の不安定流動に起因する流体加振力がポンプ主軸の著しい振動を引き起こすことが問題となります.本研究では,多段遠心ポンプに生じる軸振動と非定常流体力,圧力変動の計測を実施すると同時に,ポンプ内部の流れ場をレーザー流速計測とCFDを用いて明らかにし,特に製造・組立時の寸法誤差や経年磨耗によるポンプ内部の幾何関係の変化が,不安定流動現象に対して影響を及ぼすメカニズムを明らかにすることで,多段ターボ機械の軸振動に対する一般的な予測技術の確立を目指しています.

 

新しいビットマップ イメージ

 

 

 

インデューサGr

インデューサのキャビテーション不安定現象の解明およびその抑制

 

汎用のターボポンプの小型・高速化にはキャビテーション対策が欠かせません.その有効な手段の一つにインデューサの設置があり,これまで,限られた流量範囲で運転される,ロケットエンジン用のターボポンプを対象に多くの研究が行われました.一方,本研究グループでは,締切点を含む幅広い流量範囲で運転される,汎用のターボポンプインデューサを対象に,特に低流量域で生じるキャビテーション不安定現象に着目して,その発生過程の解明を行い,抑制手法を確立することを目的としています.

 

 

 

 

トルクコンバータGr

自動車用トルクコンバータにおけるキャビテーション現象の解明

 

自動車用トルクコンバータは,エンジンの動力を伝達する装置であり,停止時・巡行時から加減速時に至るまで非常に広範囲での運転が必要とされます.したがってキャビテーション発生が懸念されており,抑制するためにも常に内圧が付与された状態で運転されています.本研究では,自動車用トルクコンバータの可視化モデルを用いた直接観察,気泡発生・崩壊時の騒音計測,数値流体解析を実施し,相変化に伴う蒸気性キャビテーションと溶存空気の析出による気体性キャビテーションの関係性の解明および実機での予測法の確立にむけたキャビテーションモデルの構築を目指しています.

 

 

 

キャビテーションGr

Clark Y-11.7%単独翼周りのキャビテーションの非定常現象に関する研究

 

ターボポンプの羽根や水中翼などに代表される翼周りの流れ場では,翼面上や翼端などでキャビテーションが発生します.本実験グループでは,Clark Y-11.7%単独翼周りのキャビテーションの初生,成長および非定常現象を明らかにするため,実験面と計算面からアプローチしています.実験面では,主にキャビテーションの観察と非定常揚抗力の同時計測を行ない,計算面では計算負荷の小さい簡素なモデルを用いてキャビテーション現象の解明を目指し研究を行っています.また,本グループのみならず,他大学の学生との共同研究および積極的な意見交換をしながら,日々研究に励んでいます.

 

 

 

熱キャビテーションGr

キャビテーションに非凝縮性気体が及ぼす影響に関する研究

 

キャビテーションにおいては液体の蒸発だけでなく溶存気体の析出や気泡核の膨張が生じるため、考慮すべき要素が多く、定量的かつ普遍的な予測手法が確立されていないのが現状です。私たちは特に液中の気体の影響、具体的には溶存気体の飽和度や気泡核中の気体の分圧がキャビテーションの発生をどのように左右するのか、またキャビテーション気泡内の気体組成がキャビテーション様相におよぼす影響を明らかにすることを目標に、二次元拡大縮小流路を用いた実験を行っています。なお、過去にはキャビテーションの熱力学的効果についても研究していました。

 

 

 

 

 

 

ミクロキャビテーションGr

微小気泡群の粗大化過程に関する研究

 

キャビテーション気泡が初生し成長していく過程では,より大きな気泡が成長し,より小さな気泡が収縮する現象(粗大化)が観察されます.微細管を持つ熱交換器では,微小気泡の発生により熱効率の低下のみならず,寿命が短くなることから,粗大化過程の理解は設計のために必要とされています.本研究では,分子動力学法を用いて微小気泡の粗大化過程に関する研究をしています.

 

 

液体ロケットエンジン内部の熱物性に関する分子シミュレーション

 

液体ロケットエンジンの燃焼室を対象としたCFD解析では,酸水素混合系の熱物性予測のために古典的混合則が単成分の状態方程式に適用されます.しかし,燃焼室を想定した条件での実験が困難であるため,酸水素混合系への古典的混合則の適用妥当性は十分に検証されていません.そこで本研究では,数値実験として酸水素混合系の分子シミュレーションを実施し,古典的混合則の精度検証を行っています.

 

ナノスケール気泡崩壊時の気泡周囲の圧力場の研究

 

キャビテーション気泡の崩壊により引き起こされる材料のエロージョン(壊食)は流体機械の寿命低下を招きます.特にエロージョンの数値予測は,機器の設計段階での高寿命化を図る観点からも工学上非常に重要であり,数値計算手法の開発が進められてきています.しかし,ナノスケールの気泡崩壊のとき,連続体力学に基づく予測が困難であり,周囲の圧力場すら正確に予測できていません.そこで本研究では,分子シミュレーションを用いてナノスケールの気泡崩壊時に形成される気泡周囲の圧力場の研究を行っています.

 

 

 

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