Transcript 2 - 芝浦工業大学・工学部・機械工学科

機械工学科の紹介
v 機械工学とはなにか
v 学科カリキュラム
http://www.mech.shibaura-it.ac.jp/
芝浦工業大学･工学部･機械工学科
基盤･応用系
展開･開発系
( Basic )
境界領域系
( R&D )
材
料
( Borderless )
系
Material Science
航空･宇宙系
生
Aerospace Engineering
流
体
体
系
Bio Engineering
系
Fluid Dynamics
医療工学系
熱エネルギー系
Biomedical Engineering / Artificial Organs
Thermophysics / Energy Systems
環境工学系
Environmental Engineering
制御システム系
Control Engineering / System Dynamics
設計･加工系
Engineering Design / Manufacturing
機械工学科専門科目カリキュラム
自然から学ぶ機械工学
v 流体力学とはなにか
v 流体力学の歴史と研究方法
v 自然から学ぶ流体力学
ー実験編ー
v 自然から学ぶ流体力学
ーシミュレーション編ー
物質の状態 －流体とは－
空気・ガス・プラズマ
気体
液体
流 体
水・油・水銀
固体
流体力学の研究対象と研究方法
環境
ファン
2
1
ロケット
航空機
数値解析
実
験
6
3
理論解析
空調
自動車
5
4
2,3,6: 宇宙開発事業団（NASDA）提供 1,4,5: ㈱ソフトウェアクレイドル提供
流体力学の歩み（１）
Leonardo da Vin’ci
1452－1519
流体力学の歩み（２）
『力学の新しい原理の発見』（Euler，1750年）
質点・剛体・弾性体・流体などすべての物体に対する力学原理
として，Newtonの運動方程式を採用
流体を“微小な構成要素の集団”
とみなし個々の構成要素に対し
て同一の運動方程式が成立する
と考える
Euler の運動方程式
Leonhard Euler, 1707－1763
流体力学の歩み（３）
An Experimental Investigation of the Circumstances which
determine whether the Motion of Water shall be Direct or Sinuous,
and of the Law of Resistance in Parallel Channels
Philosophical Transactions, 935-982, 1883
層流
乱流
Osborne Reynolds, 1842－1912
流体力学の実験装置 －風洞－
送風機
計測器
整流部
測定部
実験室風景
送風機
測定したい物理量
・流速
・圧力
・温度
測定部
・密度，など
水棲動物と流体抵抗
v イルカの遊泳能力の不思議
Grayのパラドックス
v ウナギやドジョウの粘膜
Toms効果
v サメの高速遊泳
Riblet
水棲動物に学ぶ流体抵抗の減らし方
微小な溝構造に着目！
Silky shark 体表面の鱗 (1)
鱗表面の拡大図 (2)
(1) Bechert,D.W., Bartenwerfer,M., and Hoppe,G., ICAS-86-1.8.3, 1986
(2) パリティ, Vol.16, No.08, 2001 / 原図は Microbeam Analysis Society の Web サイトに掲載
流体の摩擦抵抗とリブレット
速度ベクトル
滑らかな板
流れ
リブレット板
流れ
流速測定の原理
流れの中に細かい粒子を入れ，流れとともに動く粒子を写真観察する
個々の粒子（または粒子分布）の移動量から，流れの向きや流速が求められる
１枚目
２枚目
比較
流速：
実験装置
PC
Synchronizer
CCD camera
シート光
CCD camera
ビーム光
YAG laser
Synchronizer
PC
実験結果 －流速ベクトル－
実験結果 －流速変動－
u’ (m/s)
速度の速い領域と遅い領域が縞模様になって現れる
実験結果 －時間平均流速－
平均流速の測定法
リブレット板
滑らかな板
実験結果 －流速の時間変動－
実験結果 －抵抗係数の減少－
リブレットの応用例
■ アメリカズカップ
■ 競泳用水着
■ タイヤ
■ エアバス
コンピュータシミュレーションとは
コンピュータにできることは四則演算（＋－×÷）と判断だけ
解きたい微分方程式を代数方程式に変換する
コンピュータで解く代数方程式
流体力学とコンピュータシミュレーション
１. 前処理 ＝ 格子形成
解析空間を小さな領域に分割する
２. 本処理 ＝ 浮動小数点演算
代数方程式を解く
３. 後処理 ＝ 計算結果の可視化
計算結果を人間が認識しやすい形で示す
格子形成の例
http://www.sw.nec.co.jp/APSOFT/SX/alfa/jirei.html
http://www.vinas.com/gridgen/gallery.html
図1. ２次元翼まわりの流れ
図2. 車体まわりの流れ
図3. ノズル入口部の流れ
計算結果の表示例 －静止画ー
•
一様流中に置かれた円柱まわりの流れ
– 基礎方程式： ２次元・非定常・非圧縮性Navier-Stokes方程式
– 離散化手法： 有限差分法
円柱後方に渦が発生
非定常なので１時刻ごとに解が
得られる．
その一例を示すと．．．
Flow
※表示方法
・流線
・等値線
・面塗り
低圧側に流線が引き込まれる
【参考】計算流体力学研究所
http://www2.icfd.co.jp/karman/kr1.htm
計算結果の表示例 －動画ー
円柱後方から渦が規則的に放出さ
れる様子は，静止画だけを眺めて
いても理解しづらい
gif Animation
※現象に対する理解が深まる
※情報量は豊富になるが扱う
データ量も膨大になる
【参考】計算流体力学研究所
http://www2.icfd.co.jp/karman/kr2.htm
シミュレーションによる解析事例（１）
生き物の飛翔のリアリスティックな再現に向けて
CAD model
Fig.1 Surface grid
on hornet
Fig.2 Pressure distribution
around a hornet with flapping
中橋，第14回数値流体力学シンポジウム（2000）
シミュレーションによる解析事例（２）
回転飛行する野球ボール周り流れの数値解析
■計算格子 ：約150万点
■支配方程式：Navier-Stokes方程式
■計算条件 ：U=135km/h Re=175,000
20rpm
40deg.
-3deg.
Fig.1 Grid system
Fig.2 Streak lines and surface pressure
姫野他，第13回数値流体力学シンポジウム（1999）