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流体力学分野

宇宙関連技術のマイクロスラスターやマイクロマシン(MEMS)などに見られる微小スケールにおける熱流動や気液二相流、高層大気や真空ポンプのような低圧気体の振る舞い、液晶やコロイドなどの構造性流体の流動現象、あるいは蒸発、凝縮、凝固を伴う地球大気現象などの複雑流に対して、マイクロスケールからのアプローチによりマクロスケールの現象を予測するメゾスケールの複雑混相流体力学の構築を目指して、理論解析、数値シミュレーションならびに小規模実験により研究を行なっている。

流体力学分野 計算機室

教員

稲室 隆二 ( Takaji INAMURO )

稲室先生の写真教授(工学研究科)

研究テーマ

流体中で複雑に変形する界面のダイナミクスを理論解析、数値シミュレーションならびに小規模実験により研究している。また、微小スケールにおける流体力学(マイクロフルイディクス)の基礎および応用研究を行なっている。

連絡先

〒615-8540 京都市西京区京都大学桂
(桂キャンパス Cクラスター) C3棟 c3S10室
TEL: 075-383-3770
E-mail: inamuro@kuaero.kyoto-u.ac.jp

担当科目

学部大学院

物理工学総論A (1年前期)
流体力学基礎 (2年後期)
流体力学 (3年前期)
固体力学 (3年前期)
航空宇宙工学実験第2 (3年後期)
航空宇宙工学演義 (4年)

航空宇宙流体力学 (前期)
航空宇宙工学特別実験及び演習第一/第二
航空宇宙流体力学セミナー (前期)

大和田 拓 ( Taku OHWADA )

准教授(工学研究科)

研究テーマ

ボルツマン方程式の解析的・数値解析的研究

最近の研究テーマは流体力学方程式の気体論的解法の理論およびこれによる数値解析である。

連絡先

〒615-8540 京都市西京区京都大学桂
(桂キャンパス Cクラスター) C3棟 c3S11室
TEL: 075-383-3771
E-mail: ohwada@kuaero.kyoto-u.ac.jp

担当科目

学部大学院

流体力学 (3年前期)
航空宇宙工学実験第2 (3年後期)
航空宇宙工学演義 (4年)

航空宇宙流体力学 (前期)
航空宇宙工学特別実験及び演習第一/第二
航空宇宙流体力学セミナー (前期)

杉元 宏 ( Hiroshi SUGIMOTO )

杉元 宏講師(工学研究科)

研究テーマ

低圧あるいはミクロな系における気体の振舞いを、希薄気体力学(分子気体力学)に基づく解析・数値解析および実験によって研究しています。

  1. 希薄気体特有の流れの解明と応用
  2. 運動する部品が不要の気体ポンプ
  3. 混合気体分離法の開発

連絡先

〒615-8540 京都市西京区京都大学桂
(桂キャンパス Cクラスター) C3棟 c3S12室
TEL: 075-383-3772
E-mail: sugimoto@kuaero.kyoto-u.ac.jp

担当科目

学部大学院

自然現象と数学 (1年前期)
流体力学 (3年前期)
航空宇宙工学実験第2 (3年後期)
航空宇宙工学演義 (4年)

航空宇宙流体力学 (前期)
航空宇宙工学特別実験及び演習第一/第二
航空宇宙流体力学セミナー (前期)

研究テーマ紹介

格子ボルツマン法による界面ダイナミクス解析法の開発

格子ボルツマン法とは、有限個の速度をもつ多数の仮想粒子の集合体(格子気体モデル)で流体を近似し、各粒子の衝突と並進とを粒子の速度分布関数に対する 格子ボルツマン方程式を用いて逐次計算して、その速度分布関数のモーメントからマクロスコピックな流れ場(流速,圧力など)を求める非圧縮性粘性流体の数値 計算法である。格子ボルツマン法の特徴は,

  • アルゴリズムが簡単であり,また,並列計算に適している
  • 質量および運動量の保存性に優れている
  • 衝突項の形を変えるだけで単相流から混相流まで統一的に取り扱うことができる

ことである。下の図は、格子ボルツマン法を用いた気液混相流の解析例である。

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図-1: エアコンの分流器内部の気液二相流の様子。

密度、粘性など物性が異なる2種類の流体(気体、液体)が複雑に混合している。格子ボルツマン法を用いた混相流解析では、簡単なアルゴリズムで両方の流体を統一的に表現できるため、複雑な流れでも数値シミュレーションをすることが可能になる。本手法を用いると、液滴同士の衝突解析・衝突時の混合解析も可能になる。下の図に、その一例を示す。さらに、海洋の風波における物質輸送機構などのマクロスケールの混相流への適用も目指している。

図-2: 液滴の衝突シミュレーション

気液・液液界面の固体壁での動特性

近年、MEMS等に関連してマイクロチャネル内における二相流の流動特性が注目されている。マイクロチャネル内における二相流動は、壁面がもつ濡れ性によって生じる毛管力によって大きな影響を受ける。

現在、理論解析、数値シミュレーションならびに小規模実験を用いて、微小隙間内を毛管力で進む流体の界面挙動を調べている。なお,数値シミュレーションには、上記の二相系格子ボルツマン法に壁面の濡れ性効果を導入した手法を開発し適用している。

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図-3: 多孔質内部を流れる水-蒸気混相流

気体論スキームの開発とその応用

圧縮性ナビエ・ストークス方程式に対する高精度気体論スキームを開発している。セル境界での数値流束の不連続の取り扱いを工夫することにより、衝撃波問題ならびに境界層問題のどちらにも少ない格子点で良い結果を与える新しい気体論スキームを構成することができる。現在,本スキームを前面ステップまわりの超音速流の計算など、より実際的な問題に適用している。

気体論スキームの結果

図-4 ハイブリッド法への適用例。平板を過ぎる希薄気流。平板近傍ではBGK方程式に基づく差分法、その外部領域はNS方程式に対する気体論スキームを用いて数値解析した例。全領域をBGK方程式で解析した結果と比較してある。

ボルツマン方程式の高次精度時間積分(DSMC法への適用)

低圧気体あるいは小さな系の気体の振る舞いの数値解析法の一つにDSMC法がある。本研究では、従来のDSMC法の時間精度を考察することにより、時間精度がより優れた新しいDSMC法を提案した。

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図-5 時間ステップに対する収束性(1次収束が2次収束に改善されている)

従来のDSMC 粒子の移動(Δt)+粒子衝突(Δt)
新しいDSMC(Strang) 粒子の移動(Δt/2)+粒子衝突(Δt)+粒子の移動(Δt/2)

(Δt:時間ステップ)

分子気体効果を利用したポンプ・気体分離法の開発

気体にはたくさんの分子があり,気体全体として静止していた場合でも,それぞれの分子は毎秒数百mの速さで運動しています.その運動をわずかでも取り出せれば,かなりの速さです.普通は分子がすぐに他の分子と衝突するので難しいのですが,高層大気や真空機器内など,分子が少ない場合には,物体の配置や温度を工夫すれば,気体全体の流れとして取り出すことができます.例えば19世紀後半にレイノルズ・マクスウェルが見いだした熱遷移(Thermal Transpiration)では,壁面にそって温度が変化していると,低温側から高温側に気体の流れが生じます.この種の熱駆動流の速さは分子の種類で異なったものになるため,混合気体を窒素や二酸化炭素などの成分に分離することも可能です.

クヌッセンポンプ1

熱遷移流を用いたポンプの概念図

クヌッセンポンプ2

実験装置(2000年)

この理屈は,例えば紙の繊維の間のミクロな空間でも成り立ちます.現在,紙等の多孔膜周囲で温度や圧力を調整し,数十度の温度差だけで大気圧混合気体を分離し続ける装置の開発を進めています.

分離装置2013

温度ー濃度変換実験機