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）