上A

助 教

中村 寿

Assistant Professor

Hisashi Nakamura

エネルギー･環境問題やエネルギー科学への貢献を目指し､種々のエネルギーとその動態に関する基礎および応用研究を推進 します｡熱物質再循環をキーワードに､新コンセプト技術を視野に入れた､燃焼･反応性熱流体現象の基礎研究を柱として進め ていきます｡基礎研究をベースに､産学官連携や国際共同研究パートナーとの学際的･分野横断融合を通じて問題解決を図り､

実験および数値計算の融合にカロえて､直感力醸成の礎となる理論解析にも重点を置き､下記のテーマに取り組みます｡

･マイクロ･マイルド･マイクログラビティ燃焼

･温度分布制御マイクロフローリアクタによる多段酸化反応

･代替燃料･バイオマス･合成燃料の燃焼

･分子レベル反応デザイン

We pursue research and development on e斤e⊂tive energy Conversion and energy process in Combustion and reactive therma川uid systems with newteChnology ConCeptS･ Bytaking heatand/Or mass regenerations as keywords′

interdisClP=nary researches are Condu⊂ted with domestic and international CoElaboration partners in aCademiC and

industry.

･ Micro‑. Mild and Mi⊂rogravity ⊂ombustions

･ Multトstage oxidation by micro flow reactor with prescribed temperature profile

･ ⊂Ombustion Vvith surrogate fuels, biomass, and synthetic fuels

･ Molecular Fever reaction design

マイクロリアクタによる着火･低温酸化反応解析

Study on Ignition and Low‑Temperature Oxidation by Micro Reactor

Testsection 稗  浮ﾆC" ﾖﾒ

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温度分布制御マイクロフローリアクタによる定在多段酸化反応

Stationary multi‑stage oxidation observed by micro flow reactor with Contro‖ed temperature prohle

定常温度勾配を有する微小径リアクタを用いることで､代替燃料･バイオ燃料の多段酸化反応の定在化に成功し､従来決定的 な手法の無かった燃料国有の最低着火温度､低温域の反応特性の特定を可能としました｡高精度･厳密な理論的背景の下で､実 設計に貢献する分子レベル反応デザインへの展開を図っています｡

Stationary multi‑stage oxidation of alternative fuels and biofuels was realized by the mi⊂ro flow reactor with ⊂ontroHed

temperature proflle. Bythis method, the lowest ignition temperature and low‑temperature reaction path Could be

identifjed･ A high fidelity moFe⊂ular [evel reaction design is being developed with solid theoreti⊂ar basis.

65

運転中のスイスロール型 マイクロコンパスタ

(直径: 64mm)

Swissroll microcombustor in operation

(Diameter: 64 mm)

コインサイズコンパスタ (直径: 20mm)

Coin size combustor

(Diameter: 20 mm)

Besides this, the miCrocombustor heaters Can be operated in any atmospheres because Tt is sealed. They are advantageous

ofele⊂tromagneti⊂ induction free as vveHI We have also suC⊂eeded in developlng ⊂Oin‑size ⊂Ombustor･

発し､微小スケール下で安定な燃焼を実現することに成功しました｡

燃焼式でありながら電気ヒ一夕並みの温度制御性(±1℃)に加え､

条件によっては電気ヒ一夕の2倍を越える熱効率を有する､熱源用 マイクロコンパスタの開発に成功しました｡裸火が無いのであらゆ る雰囲気で使用でき､無磁場カ口熱も可能です｡最小サイズは‑円玉(直 径20 mm)サイズです｡

We havedeveloped Swissroll miCroCombustor heaterswith ± 1 o〔 temperature Contro‖ability whereas it is Combustion‑based･

Since gaseotJS hydrocarbon fuels are directly introduced into

combuStOrS, tこ)tal thermal efR⊂ienCie5 0f the heaters are twice or

even larger compared with those ofconventional electric heaters･

マイクロ燃焼

Microcombustion

マイクロ燃焼とは､系の代表寸法がいわゆる消炎距離と同程度か､それ以下であるよ うな燃焼現象を意味します｡私たちは､熱再生を模擬した基礎研究の系として､ ｢温度勾 配を有するマイクロまたはメゾスケールチャネル｣を提案しています｡これまでに､火

炎が自発的な着火消炎を繰り返す現象(FRET: Flames with Repetitive Extinction

and lgnTtion)を初めて兄いだしたほか､微弱火炎やその限界の特定に成功していますo 二次元円形チャネルでは安定燃焼よりも､火炎によるパターン形成(Pelton‑like.

splral, broken and trip一e‑branch flames)が優勢となることがわかりました｡

we study 'miCroCombustionr, i･e･ Combustion with representative Length s⊂ales

equivalent to or smallerthan the ordinary quenching distanCe･ Since heat

reCir⊂ulation is extensively employed as a thermal management for achieving stable

combustion in micro scaLe, We introduced a new experimental geometry oflrmicro and meso scale Channels with temperature gradients" as a simplified model of heat recirculation condition. Results showed FREE (Flames with Repetitive Extinction and

Ignition) as we" as normal and weaknames.Then, 2‑D radia一 mi⊂roChannel was also introduced and various flame pattern formations. such as Pelton‑like′ spiral, broken

and triple‑branch flames. were observed for the first time･

｢きぽう｣実験棟と航空機による

微小重力環境下における極低伸長対向流火炎

Ultra lowIStretched Counterflow Flames under

MiCrogravity Environment in 〟Kibo" Japanese Experimenta一 Module and Airplane

国際宇宙ステーション｢きぽう｣実験棟での燃焼実験候補テーマに選定されま したo酸素燃焼条件の対向流火炎を極低伸長まで低下させることでFlame ball を形成し､ FIame balIと伝播火炎の限界を統一的に扱う理論構築.検証を目標 としています｡

Ourproposalonspa⊂e⊂OmbustionexperimentwasseleCtedasa⊂andi‑

date project at the I'Kibo" Japanese Experimental Module in the International

space Station. The objective is to ConstruCt the unified Combustion 一imit

theory of propagating flame and flame baH under the oxy‑fuel combustion

Condition using ultra low‑stretched ⊂ounterflow flames･

66 加熱された微小円管内における

着火と消炎を周期的に繰り返す 非定常火炎

FREE (FEames with Repetitive Extinction and Ignition) in a heated miCroChannel

圏配国

力ロ熟された円盤間の微小流路に おける火炎のパターン形成

F[ame pattern formations in a heated radial microchannel

微小重力環境下での対向流火炎と国際宇宙 ステーション･微小重力実験用航空機

Counterflow flames under microgravity

environment and International Space

Station & aircraft for microgravity experiment

猟繍融薗緋舞雫ンタコ ■J79回I野望動欄既部

l加封印喜郎如貴職付根)柑馴馴l" lnjlSlln19朗駈‖@Jdl"榔廿凋蜘垣相磯駆L･恨【偲L諌言㈹ ･,, ′̲ ‑=l‑I ‑=吋

実事象融合計算研究分野

Reality‑⊂oupled Computation Laboratory

(莱)教授

大林 茂

⊂onCurrent Professor

Shigeru

Obayashi

准教授

石本 淳

As50Ciate Professor

ノun

lshimoto

当研究分野では､動的高解像度画像計測と分散型コンピューテーションの革新的融合研究に基づく先端流体解析手法の開発･

体系化を目指すとともに､次世代エネルギーに直結した新しい混相流体工学応用機器の開発･最適設計ならびに創成を目的とし た応用研究を推進しています｡特に数値解析の手法としては近年その発展が著しいクラスター型の並列計算による分散型コン ピューティング手法を積極的に取り入れ､計測結果の分散型取りこみと並列計算の融合研究により高精度の流体機器設計手法を 確立することを目標としています｡

Our laboratory mainly focuses on the research and systematization based on the phenomenologiCally verified

Computation forthe development ofadvan⊂ed multiphasenuid machinery and the optimization ofmeChanical design in ConneCtion with the frontler energy and environmental problems using the transdis⊂iplinary quid integration method which CIosely combined with experimental and Computational te⊂hnique･ ESPe⊂iaFly, the dustertype para‖el Computing

method with feed back processing of segmented measurement data is extensively applied to improve the numeriCal

aCCuraCy in transdis⊂ip=nary analysis and to improve the design optimization for new‑type multiphase fluid appIICations･

サステナブル異分野融合による混相流動エネルギー循環システムの創成

Development ofSustainabre TransdisClPlinary Integrated MuJtiphaSe Frontier Energy System

Reality‑Coupled Computation for MultiphaSe Frontier Energy System

超並列分散型コンピューテーションと､ PIA‑PTVハイブリッドナノ画像計測との革新的融合研究に基づく先端流体解析手法の 開発･体系化と､次世代エネルギーに直結した新しい循環型混相流体工学応用機器の創成ならびに最適設計への応用研究を推進 しています｡

Resear⊂h and systematization based on the phenomenologiCaFly verified massively para‖eI Computation is performed for the deve一opment ofadvan⊂ed multiphase fluid machinery and the optimization of the meChaniCal design in ⊂onneCtion

with the frontier energy.

using Micro‑So一id Nitrogen Jet

ResISt (500nm)/

Poly‑Sl (1 50nm)/

SiO2 (6nm)/ SI

マイクロソリッド超音波微 粒化ノズル

MiCro‑Solid ultra‑sonlC

osCEIlation nozzle

The heated wafer of 550K

l･5um 2770〔まで加熱後＼ (277oC) 〔anberapldlyCooled‑to About90%resistremovaI ソリッド窒素噴霧  71K(‑202℃)wlthln Only8

(約8seC後‑200oC) Seconds mletemPeratUre dlfFerenCe lS 479 K)

巳冨巳コ 巳冨EL

マイクロソリッド噴霧のみ

ほとんど効果なし 超高熱流束効果による

熱収縮で7割程度除去

Only spraylng mlCrO‑SOIId About 70% photo resISt Can be removed

performance lS attalned by enhancement of solld nuCle∂t10∩

琴

ノズルに45kHz/30mm振幅の

超音波振動子設置(ナノ細粒化)

言npLaryemovab.e eWect' 巳寓hTheETtTajlcxoln‑trTa‑C‑tTon‑dluel tot一一3:NBta;:tT,a7t芸aSt:azcg'琵d:;tYt5hke"Fo=･e

原子力発電所における配管減肉予測システムの開発に関する研究 (東北電力との共同研究)

Development of Pipe Thinning Prediction System in Atomic Power Plant

(⊂ollaboration with Tohoku EleCtriC Power ⊂0. lnC.)

液滴自動生成.凝縮.蒸発モデルによる計算結果 

NumeriCalresultbyautomati⊂dropletgenerationmodeltakingintoa⊂⊂ounttheCondensation‑vaporizationofdroplets 

図33. meshA自動的に粒子を挿入する｡液下滴が生成した         図35 : meshB自動的に粒子を挿入する｡液下滴が生成した

工ロージョン率を考慮する.工口‑ジョン率を考慮するo

C".unmdeeric,aat.r.e;u霊fdLeP('eedrgOSi̲o〜npreat.eribZced)rop■et va porization  C".unmd霊[.e;uEsfdヒP('t:hoes,ieodnltr;tpeeb.y,,震eF‑et vaporization‑

68

共通施設

Common FaCilities

共通実験施設としては､低乱風洞実験施設(低乱熟伝達風洞､検定風洞､小型低騒音風洞)及び衝 撃波関連施設(二段式軽ガス銃､大型衝撃波管､縦型矩形断面衝撃波菅､小型斜め二段式軽ガス銃､

80mmX80mm矩形衝撃波管)があります｡

OurJoint Research Facilities indude experimental faCHities to study low turbuIenCe wind (LowTur‑

buEence Wind Tunnel, Calibration VVind Tunnel, Small‑scale LowINoise Wind Tunnel) and shock wave

facilities (Two‑Stage Light Gas Gun, Large‑Scale Shock Tube, Vertical Rectangular Section Shock Tube, SmaIF‑sized Diagonal Two‑Stage Light Gas Gun, and 80 mmX80 mm ReCtangular ShoCkTube)･

Low TurbulenCe Wind Tunnel Facility 流体科学研究所が提供する低乱熱伝達風洞は､

世界屈指の性能を有する風洞です｡低速風洞の 中では国内トップクラスの高速気流を出せる一 方で､気流の乱れレベルは世界的に見ても極め

て低く､更に､風速分布の一様性も非常に良好で､

品質の高い実験が可能です｡また､気流の質は 低乱熱伝達風洞と同レベルでありながら､測定 部が小さく小回りの利く小型低乱風洞､空力騒 音低減化に利用できる低騒音風洞もあります｡

The LowTurbulence Wind Tunnel facility

made ava‖able by the lnstitute ofFluid SCien⊂e

forjoint research is among the best in the world･

Its wind veloCity is among the top Class in Japan′ while atthe Same time its turbuFenCe levels are

among the lowest in the world･ Moreover, the uniformity of its veloCity prohles i5 0utStanding･ making it possibleto ConduCtvery high‑quality researCh･ ln addition, while the quallty Ofthe wind flow is equivalent to that ofa conventionaJ low turbulence wind tunnel, the measurement devices are small enough to givethe device a smaH turning radius and aHow itto be used as a small‑scale lowturbu‑

len⊂e wind tunnel or a low noise wind tunnel for reducing aerodynamiC noise･

Shock Wave Research Facilities 二段式軽ガス銃は､火薬の燃焼で重いピスト

ンを駆勤し､水素やヘリウムのような軽ガスを 圧縮して､その高温高圧で飛行体を毎秒数キロ

メートルの速度で打ち出す装置で､宇宙船の大 気再突入やスペースデブリの衝突模擬､衝撃超

高圧の発生などの実験に使われます｡

The twolStage light gas gun uses explosives to drive a heavy piston which compresses light gases such as hydrogen or helium.This high‑

temperature, high‑pressure gas in turn can propel a projectile uptoa speed ofseveral km/see.The facHity lS used as a hypervelocity baHistic range to study spacecraft reentry and

impacts vvith space debris･ lt is also used to study ultra‑high pressure phenomena using shock pres‑

SUre.

69 Tohoku UnlVerSlty

ドキュメント内 東北大学流体科学研究所 2010 (ページ 69-77)