原位置反応法の概念
Concept of in-situ reaction barrier
教 授
丸田 薫
Professor
Kaoru Maruta
准教授
中村 寿
Associate Professor
Hisashi Nakamura
助教
森井 雄飛
Assistant Professor
Youhi Morii
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。熱物質再循環を基盤とした低エクセルギー損失燃焼をキーワードに、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加えて、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
・高温酸素燃焼
We pursue research and development on effective energy conversion and energy process in combustion and reactive ther-mal fluid systems with new technology concepts. By basing heat and/or mass regenerations for low-exergy-loss combustion as keywords, interdisciplinary researches are conducted with domestic and international collaboration partners in academic and industry.
・Micro-, Mild and Microgravity combustions
・Multi-stage oxidation by micro flow reactor with prescribed temperature profile
・Combustion with surrogate fuels, biomass, and synthetic fuels
・High-temperature oxy-fuel combustion
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とそのオクタン価依存性 Stationary multi-stage oxidation observed by micro flow reactor with controlled temperature profile
and octane number dependence of the stationary multi-stage oxidation
定常な温度勾配を有する微小直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ま した。これにより、オクタン価やセタン価等の燃料の反応性の指標、燃料成分、圧力といった条件が多段酸化反応に及ぼす 影響を可視化することができます。高精度・厳密な理論的背景の下で、実設計に貢献する反応デザインへの貢献を図ってい ます。本手法は計測装置として実用化されました。
Stationary multi-stage oxidations of alternative fuels and biofuels were realized by a micro flow reactor with a controlled temperature profile. Effects of reactivity indexes such as octane number and cetane number, composition of fuels and pres-sure on the multi-stage oxidation can be observed. A high fidelity reaction design is being developed with solid theoretical basis. This methodology was commercialized as a measurement instrument.
世界的に普及しつつある高温空気燃焼技術は、燃焼ガスの再循環により 極端に低酸素濃度化させた高温空気（800℃以上）による新しい燃焼技術 です。同技術を工業炉等に応用することで約 3 割の省エネ、低 NOx 化、静 音化が同時達成されています。本研究室では空気の代わりに燃焼ガスと純 酸素の混合気を酸化剤として利用し（酸素燃焼）、効率をさらに 2 割上昇、
CO2回収と組合せる究極の燃焼技術の実現を目指しています。
High-temperature air combustion (HiCOT) technology, which is new combustion technology using pre-heated (higher than 800 ℃ ) and low-oxygen-concentration air with recirculation of burned gas, is coming into wide use. HiCOT attains energy saving (30%), low NOx emission and noise reduction simultaneously. We are developing high-temperature ox-ygen combustion (HiTOx) technology, in which a mixture of burned gas and pure oxygen is used as oxidizer (oxygen combustion) instead of air.
HiTOx attains further energy saving (20% reduction than HiCOT) and no CO2 emission by combining CO2 capture and storage.
国際宇宙ステーション「きぼう」実験棟での燃焼実験テーマに選定さ れました。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 の実現条件に近づけ、Flame ball 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。
Our proposal on space combustion experiment was selected as a proj-ect at the “Kibo” Japanese Experimental Module in the International Space Station. The objective is to construct the unified combustion limit theory of propagating flame and flame ball under the oxygen combustion condi-tion using ultra low-stretched counterflow flames.
マイクロリアクタによる着火・低温酸化反応解析
StudyonIgnitionandLow-TemperatureOxidationbyMicroReactor
熱源用スイスロールマイクロコンバスタ SwissrollMicrocombustorsforHeatSources
高温酸素燃焼の研究開発
High-TemperatureOxygenCombustionTechnology
「きぼう」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 Ultralow-StretchedCounterflowFlamesunder MicrogravityEnvironmentin“Kibo”Japanese ExperimentalModuleandAirplane
コインサイズコンバスタ
（直径：20 mm）
Coin size combustor (Diameter: 20 mm)
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 高温空気燃焼条件（上）と
高温酸素燃焼条件（下）の火炎画像 Flame images in HiCOT condition (upper) and HiTOx condition (lower)
運転中のスイスロール型 マイクロコンバスタ
（直径：64 mm）
Swissroll microcombustor in operation
(Diameter: 64 mm) スイスロールバーナにより徹底した熱再生を行う手法を新たに
開発し、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ータ並みの温度制御性（± 1℃）
に加え、条件によっては電気ヒータの 2 倍を越える熱効率を有す る、熱源用マイクロコンバ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、無磁場加熱も可能です。最小 サイズは一円玉（直径 20 mm）サイズです。現在、本マイクロコン バスタの原理を用いた食品焼成炉を IHI と共に開発中です。
We have developed Swissroll microcombustor heaters with ± 1 ℃ temperature controllability whereas it is combustion-based.
Since gaseous hydrocarbon fuels are directly introduced into combustors, total thermal efficiencies of the heaters are twice or even larger compared with those of conventional electric heaters.
Besides this, the microcombustor heaters can be operated in any atmospheres because it is sealed. They are advantageous of electromagnetic induction free as well. We have also succeeded in developing coin-size combustor. A furnace for food industry employing the principle of our microcombustor is under development with IHI.
教 授
高木 敏行
Professor
Toshiyuki Takagi
助 教
小助川 博之
Assistant Professor
Hiroyuki Kosukegawa
エネルギープラントに代表される大規模複雑システムや、自動車や航空機などの輸送機械の保全の高度化は、社会基盤と国 民生活に直結する課題であり、その構造ヘルスモニタリングと非破壊検査は極めて重要です。特に大規模複雑システムにおけ る構造物は高温下や腐食雰囲気下で使用されるケースが多く、そのため極限環境下での使用に耐えられるセンサとそれを用 いた非破壊検査法の開発が望まれています。また、エネルギーのロスを防ぎ効率化につながる省エネルギー化技術の社会的要 求も高まっています。本研究室では、極限環境下で使用可能なセンサの開発と非破壊検査システムの構築および省エネルギー 化技術の開発を目的として以下に挙げるトピックに基づき研究を進め、社会の安全と安心への貢献を目指しています。
(1)電磁現象を用いた先進的な非破壊評価技術の開発と構造材料のライフサイクルでの評価、(2)化学的安定性と耐腐食性 を有するセンサのための機能性材料の開発、(3)省エネルギー化のための低摩擦コーティング技術の開発。
Enhancement of maintenance of huge complex systems as represented by energy plants, and that of transport machinery such as automobiles and aircrafts are an issue directly linked to social infrastructure and daily lives of citizens. The structur-al hestructur-alth monitoring and nondestructive testing on those systems are therefore highly important. Especistructur-ally, the structurstructur-al materials on that complex system is often used under high temperature or corrosive environment. Development of sensors, which are tolerable under those ultimate environments, and of nondestructive testing method using such sensors is required.
In addition, saving energy technique for lowering loss of energy and for higher efficiency is also required. With the aim of fab-rication of those sensors, nondestructive testing systems that are available under ultimate environment, and of saving energy technique, we research based on the following topics and wish to contribute to social safety and reassurance:
(1) Fabrication of advanced nondestructive evaluation technique and evaluation during lifecycle of structure materials by utilizing electromagnetic phenomena.
(2) Development of functional materials for sensors with chemical stability or corrosion resistance.
(3) Development of low-friction coating technique for saving energy.
材料の製造時から経年劣化までのライフサイクルでの評価を目指します。電磁気特性に着目して、鋳鉄の基地組織、チル 組織の定量的評価法や、構造材料の応力腐食割れやクリープ損傷に至る前の劣化診断法に関する研究、逆問題解析による 欠陥形状の再構成を行っています。また、超音波試験と渦電流試験の相補性に基づいて、電磁超音波－渦電流複合プローブ を提案し、流動誘起損傷のモニタリングへの適用を目指しています。さらに、渦電流を利用した炭素繊維強化プラスチック (CFRP) における欠陥の非破壊検査法の高度化を行っています。
We propose lifecycle evaluation of materials from pre-service to aging degradation during lifecycle. Our activities include nonde-structive evaluations of matrices for various cast irons, susceptibility to stress corrosion crackings, degradation prior to creep damage, reconstruction of defect shape by inverse problem analysis. In addition, we propose EMAT-EC dual probe that combines the advantages carried by ultrasonic testing and eddy current testing (ECT), aiming at application to monitoring of flow assisted damages. Furthermore, we attempt to advance non-destructive testing method for defects in carbon fiber reinforced plastic (CFRP) by utilizing eddy current.
高温や腐食雰囲気などの極限環境下において用いられる構造物のヘルスモニタリングのために、優れた耐腐食性、耐熱性、
耐摩耗性を有するセンサが必要とされます。本研究室では良好な耐摩耗性と化学的安定性を示す非晶質炭素薄膜に目的に応 じた金属クラスタを導入することによって、高い導電性や特異的な疲労特性を有する薄膜センサの開発を行なっています。
A sensor that possesses good corrosion resistance, heat resistance and abrasion resistance, is required for the structural health monitoring under ultimate environment such as high temperature and corrosive condition. By adding metal clusters into amorphous carbon film with excellent abrasion resistance and chemical stability, we develop thin-film sensors with high electric conductive and/or specific fatigue properties.
省資源と省エネルギーに貢献し、信頼性と耐久性に優れた高性能な機械システムを実現するために、接触面におけるナノ・
ミクロレベルの現象をマクロスケールの事象へと展開する研究を行っています。多結晶ダイヤモンド膜やダイヤモンドライ クカーボン膜と呼ばれる硬質炭素膜を用いた低摩擦・低摩耗性を有する機能性コーティング技術を研究開発し、新しい機械 システムを提案しています。
Highly efficient mechanical systems are necessary for saving resources and energy. Especially, in order to get the high reliability and durability requested for the high-performance mechanical system, it is necessary to control “contact” with a high degree of accuracy. We are investigating the nano-micro scale “contact” of the carbon-based hard coatings (Diamond and Diamond-like Carbon which have a character of low friction and low wear) in the viewpoint of flow dynamics.
電磁センシングによる材料のライフサイクル評価
EvaluationofMaterialsbyNovelElectromagneticSensorsduringLifecycle
構造ヘルスモニタリングのための機能性非晶質炭素薄膜センサの開発
DevelopmentofFunctionalAmorphousCarbonCoatingSensorsforStructuralHealthMonitoring
硬質炭素コーティングによる技術革新
TechnologyInnovationbyCarbon-basedHardCoatings
教 授
石本 淳
Professor
Jun Ishimoto
助 教
落合 直哉
Assistant Professor
Naoya Ochiai
本研究分野では、超並列分散型コンピューティングと先端的光学計測の革新的融合研究に基づくマルチスケール先端混 相流体解析手法の開発・体系化を目指している。さらに、高密度水素に代表される環境調和型エネルギーに直結した新しい 混相流体システムとそれに伴うリスク科学の創成を目的とした基盤研究を推進している。
特に、サブミクロン・ナノオーダ極低温微細粒子の有する高機能性に着目し、ヘリウムを使用しない新型の一成分ラバルノズ ル方式によって生成される超音速極低温微細粒子噴霧の活用による環境調和型ナノクリーニング技術の創成、ならびに太陽電 池・タッチパネル用ITO 膜（酸化インジウムスズ）のはく離技術に関し、異分野融合型の研究開発を行っている。また、メガソニッ ク洗浄における粒子除去メカニズムの解明のため、メガソニック場中の複数気泡ダイナミクスの大規模数値解析を行っている。
さらには、自然災害リスク科学における混相流体力学的アプローチとして、漂流物・震災がれきが混入した津波ダメー ジや衝撃力、また、メガフロートを用いた沖合津波の波高軽減効果を評価するFSIスーパーコンピューティング（模擬実験）
技術を開発している。
Our laboratory is focusing in the development of innovative multiphase fluid dynamic methods based on the multiscale integration of massively parallel supercomputing and advanced measurements, and research related to creation of environ-mentally conscious energy systems. Furthermore, we promote basic research for the creation of risk management science and associated new multiphase flow system directly linked to sustainable energy represented by a high-density hydrogen storage technology. Particularly, we are focusing in different field integration research and development such as creation of environ-mentally conscious type nano-cleaning technology using reactive multiphase fluid that is a thoroughly chemical-free, pure water free, dry type semiconductor wafer cleaning system using cryogenic micro-nano-solid high-speed spray flow, and also focusing on removal-reusing technology for solar cells and ITO membranes for conducting organic polymer (including indium oxide tin). We also performed computational study of multiple bubbles behavior in megasonic field to clarify the mechanism of particle removal by megasonic cleaning. Furthermore, aiming to contribute disaster risk science field, fundamental mitiga-tion effect of mega-floating structures on the water level and hydrodynamic force caused by the offshore tsunami has been computationally investigated using SPH method taking into account the fluid-structure interaction (FSI).
マルチスケール異分野融合型混相エネルギーシステムの創成
DevelopmentofIntegratedMultiscaleMultiphaseFlowEnergySystem
津波・洪水等による自然災害ダメージ軽減に対する混相流体力学的アプローチ DevelopmentofIntegratedMultiscaleMultiphaseFlowEnergySystem
メガソニックキャビテーション気泡を用いた不純物除去に関する数値解析
Numericalanalysisofcontaminationremovalusingmegasoniccavitationbubble
津波・洪水に代表される自然災害ダメージの軽減化に対し先端混相流体力学的アプローチを実施し、ダメージ予測と最 適避難・安全予測に関するス－パーコンピューテイング手法を開発している。
This study can help to optimize the strength of seashore buildings and structures against future tsunami threats, and also can help to estimate structural damage that can be caused by large-scale natural disasters like hurricanes, storms and tor-nados, and help to develop effective mitigation tools and systems.
高圧タンクき裂伝ぱを伴う水素漏えい現象に関する流体－構造体 連成コンピューティング
Coupled FSI computing of hydrogen leakage phenomenon ac-company with crack propagation of pressure vessel
極低温ファイン固体粒子噴霧を用いたナノデバイスクリー ニング
Nano device cleaning using cryogenic fine solid particulate spray
漂流物混入型津波に関する GPU 融合型スーパーコ ンピューティング
GPU supercomputing of Flotsam-mixed tsunami impinging to land structure
メガソニック場中壁面近傍での気泡挙動の三次元数値計算結果
Three dimensional calculation result of the bubble behavior near wall in a megasonic field
橋脚に衝突する洪水流の流体力予測に関するスーパーコンピューティング Supercomputing of hydrodynamic behavior of supercritical floodwater im-pingement to bridge girder