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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

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多段遠心ポンプGr

 

 

ミクロキャビテーションGr

新しいビットマップ イメージ

 

 

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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

 

非再生資源の枯渇に代表されるエネルギー問題や,地球温暖化,酸性雨などの環境問題の緩和には,再生可能エネルギーの積極的利用が有効な手段です.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,賦存量が多くその利用による環境へのインパクト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水力発電システムの開発が欠かせません.本研究では,マイクロ・ナノ水力の一形態である河川や農業用水路など落差が2m以下の超低落差水力およびゼロ落差水力に着目し,その有効利用の実現に向けて,構造がシンプルでかつ高出力のダリウス形水車の開発および高性能化を目指しています.

 

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二重反転形ポンプGr

二重反転形軸流ポンプの水力性能と内部流れ

 

ターボポンプは各機器と同様に省エネルギー化に加えて小形化が要求されています.本研究では,高性能・高効率かつ高比速度化(つまり小形化)が期待される二重反転形軸流ポンプに着目し,流れ計測およびCFD解析による二重反転形ポンプの特異な流動構造を解明するとともに,高性能な二重反転式軸流ポンプの設計指針を探求しています.

 

 

 

 

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・鉄鋼所などに広く用いられている高圧ポンプは,その高出力および羽根車と静止流路間の干渉等により適度な振動や軸破損が発生することが多く,ポンプ内部の流れ場と流体加振力のプラント計画段階からの予測手法の確立が必要とされています.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,圧力変動の同時計測を実施し,ポンプ内部の流動状態とそれに起因する流体加振力の発生メカニズムを実験的に明らかにすることを目的としています.

 

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・制御

 

ロケットエンジン用ターボポンプのように高速・低圧で運転されるポンプでは,キャビテーション発生下でも良好な性能を発揮するインデューサを主羽根車内でのキャビテーション発生によるポンプ性能の低下を防止します.しかしながら,キャビテーション発生下におけるインデューサでは,旋回キャビテーションやキャビテーションサージなどの流体力学的不安定現象の発生とそれによる軸振動が問題となることがあります.本研究では,不安定現象の1つであるキャビテーションサージの発生メカニズムをインデューサの内部流れと関連付けて解明するとともに,その回避・抑制手段の開発を目的としています.

 

喉部説明図

 

 

 

トルクコンバータGr

自動車用トルクコンバータ内のキャビテーション観察と検知

 

自動車用トルクコンバータは,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,キャビテーション抑制のため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,圧力変動計測,数値流体解析を実施し,溶存空気が遊離することにより生じる気体性キャビテーションの解明とそのモデル化,実機での予測法の確立を目指しています.

 

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キャビテーションGr

翼および翼列のキャビテーション流れの流動構造解明

 

ターボポンプ羽根車の羽根や水中翼など,高速な水流中に置かれた翼周りにおいては,低圧となる負圧面はもちろんのこと,翼端渦などの渦中心の低圧部にキャビテーションが発生します.本研究では,単独翼の負圧面に生じるキャビテーションの不安定現象の可視観察および非定常揚抗力の同時計測により,その流動構造と非定常揚抗力特性,さらに翼形状の影響を実験的に明らかにすることを目的としています.

 

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熱キャビテーションGr

キャビテーションの熱力学的効果に関する研究

 

キャビテーションは液の蒸発現象であるため,液体の熱力学的な条件によっては蒸発時の冷却効果によりキャビティ周囲の液の温度が低下し,キャビティが成長しにくくなることが知られています.また,液中の溶存空気も同時に析出し,キャビテーションの初生・成長に大きく影響します.本研究では,二次元縮小拡大流路に生じるキャビテーション流れについて,熱力学的効果および溶存空気の影響の定量的な計測を実施しています.

 

 

 

 

 

 

ミクロキャビテーションGr

キャビテーション現象の分子動力学的研究

 

液体水素中におけるキャビテーション初生の量子分子動力学的解析

 

液体水素のキャビテーションは,ロケットポンプインデューサの設計開発などにおいても考慮すべき重要な現象ですが,水素のキャビテーション気泡の初生過程については,実験的解明が難しいこともありよくわかっていません.そこで本研究では,液体水素特有の量子力学的性質を効率的に扱うことが可能な,経路積分セントロイド分子動力学法を用いた数値実験により,液体水素中における気泡初生の特徴理解を目指しています.

 

 

 

気泡崩壊時の非平衡挙動に関する研究

 

気泡の崩壊特性の解明は,ポンプの長寿命化を図る上でも大変重要ですが,気泡崩壊直前における非平衡挙動の特徴についてはよくわかっていません.本研究では,ナノメートルオーダーに相当する気泡の崩壊状態を分子動力学シミュレーションにより再現した上で,気泡崩壊時における非平衡挙動の本質理解を目指しています.

 

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