東京大学産学連携プロポーザル

この研究室では、航空用エンジンの環境適合性向上に資する技術を、新規システム技術の創出・要素技術高度化の視点で研究している。本研究テーマでは、航空機の環境負荷低減、整備性向上の視点で進展する電動化において特にシステム動力源と推進動力機構の電動化に着目し概念検討と要素実証を行っている。航空機の新規システム技術は、地上用輸送機器における適用技術を採用出来ることもあるが、特殊な技術要件や信頼性要求が必要になることが多い。

この研究室では、ジェットエンジン、ターボ機械等の機器内部流れに加えて、生体の内部流れに関する研究を行なっている。流れ解析のための各種実験装置を備えるとともに、充実した計算機環境を利用した数値流体解析が可能で、多くの研究実績を有している。 鳥類の肺気道内の流れは、動脈血と対向した一方向流れとなっており、ガス交換の効率は非常に高い。この点に注目して、肺気道流れのモデル化と実験的な解析を行うことにより、振動流から一方向流れが発生するメカニズムを解明した。更にこの原理を応用し、従来のヒートパイプより効率的な熱輸送デバイスが実現可能であることを見出している。これは、ＬＳＩ素子の小型冷却デバイスや医療機器等への応用の可能性が高い知見である。また、昆虫の呼吸にヒントを得たバルブレスポンプの研究も行っており、マイクロデバイスの冷却等への応用を検討している。

ロケットエンジン、ジェットエンジン等の研究を行っているこの研究室では、これら機械内部での流体解析に必要な実験施設、装置を豊富に有するとともに、充実した計算機環境を利用した数値流体解析が可能で、多くの研究実績を有している。これらをもとに、液体ロケットの燃料タンク内部での液の挙動や、液体の圧送を行う装置内部での液の挙動等、気液二相流が関係する広範な現象の解析が可能である。特に気液界面の捕捉に優れた解析手法（CIP-LSM）を開発しており、これまで多くの成果を上げている。

この研究室では、流体機械が発生する騒音に関して解析に必要な実験施設、装置を豊富に有するとともに、充実した計算機環境を利用した数値流体解析が可能で、多くの研究実績を有している。これらをもとに、ジェットエンジンの噴流騒音・ファン騒音をはじめ、車輌空力騒音、エアコン等家電機器に用いるファンによる騒音等の解析、低減策の提案、対策効果の評価等に対して協力が可能である。具体的な低減策として、ジェット噴流に微小な噴流を重畳するマイクロジェット低減法、ファン騒音を効果的に吸音するライナーなどの空力音響学的なメカニズムについて、基礎的な研究成果を有している。

ジェットエンジン、ターボ機械等の研究を行っているこの研究室では、これら機器内部で起きる高速流の解析に必要な実験施設、装置を豊富に有するとともに、充実した計算機環境を利用した数値流体解析が可能で、多くの研究実績を有している。これらをもとに、流体機械内部で起きる不安定流れに基づくフラッター現象の抑制に関して研究を進め、スマート構造（形状記憶合金、ピエゾ素子応用）を動翼（または静止翼）に採用したアクティブコントロールの研究をすすめ、その効果をシミュレーション及び実験により確認している。また、旋回失速の問題についてもアクティブに空気流を追加することによりコントロール可能であることを確認している。

流れ場で流速を測定する方法としては、固体粒子をトレーサーとして用いるレーザドップラー法等が一般的であるが、トレーサーが固体であることによる制約（高速流では機器を損傷する等）も大きい。この研究室では、気体分子NOをトレーサーとして用いる流速測定方法を開発した。これは測定対象の流体中にNO2を加え、それに紫外線レーザーを照射し光解離することによって発生するNO分子の移動をレーザー誘起蛍光法によりカメラで捉えることで、流速を計測する手法であり、すでに実験によりその動作を確認している。 図１は実験装置のレイアウトである。 円管から垂直上方へNO2を添加した気体（空気）を噴射している（黄色の矢印）。円管出口からある高さ（この場合は25mm）の位置に気体噴流に垂直に355nmのシート光（濃い水色）を照射し、NO2を光解離させてNOを生成させる。シート光上に生成されたNOはタグ状になって噴流に従って下流（上方へ）移動する。このタグ状のNOをＬＩＦ法により可視化する。そのため、355nmのシート光を照射してから一定時間経過した後、ＬＩＦ法の励起光となる226.1nmのレーザシート光を照射する。このNOタグの動きから噴流の速度分布を計測する。その結果の時間挙動変化を図２に、計測された噴流内速度分布を図３に示す。

NOxを含む大気中に水蒸気を加え紫外線を照射することにより、減圧下(5.34kPa)、常温下でNO、NO2の低減が可能であることを確認した。また反応動力学を用いた数値計算から常温、大気圧下においても同様の傾向があることを明らかにした。この技術はNOx含有ガスが滞留しているような場所（地下駐車場、バス停交通量の多いトンネル）においてNOxを処理する脱硝装置になどに応用されることが期待される。 図１の説明：　白三角は、実験から求められたNO濃度（FTIRにより計測）を、実線は、数値計算によるNO濃度の予測結果を表す。紫外線照射後、約１５分経過すると最初に100ppm存在していた大気中のNOの濃度はゼロとなる。その途中でNO2濃度（黒三角）が若干増加する（NOがNO2に変換されるため）が、NOと同様に約１５分後には濃度はゼロとなる。それらは最終的には硝酸（HNO3）として回収される。

航空機をはじめ車や鉄道などの移動物体周りの流れ場を理解する方法として、数値流体力学を用いた数値解析が日常的に行われるようになってきた。市販ソフトウエアも多数存在するが、導入する場合には流体力学の素養が求められると同時に、格子生成、流体解析、解析結果処理等の一連のプロセスを体得する必要があり、自由に任意形状周りの解析ができるエンジニアの養成には多くの工数を要する。 そこで本研究室では、特に経験を要する格子生成を完全自動化することにより、数値流体解析の敷居を下げ、様々な物体形状周りの解析を容易に実行できる環境の開発を進めている。もとになる形状データと計算条件を指定する入力ファイルのみから、中間生成物である計算格子を意識せずに、計算結果を得ることが可能である。特に実際の工学問題でしばしば現れる非常に複雑な形状についても、完全自動で格子が生成されるため、高速かつ安定して解析結果が得られる（従来の方法では、計算に不具合が生じる場合には計算格子に戻り修正等を行う必要があった）。また、従来は大型計算機の利用が前提であったが、近年のPCの高速化に伴い、手元のPC上でも格子数数百万点規模の計算が可能となりつつある。