回転ローターの気液二相流におけるエネルギー損失最大化のメカニズムを解明：メカ設計ニュース

東京大学大学院 工学系研究科は、大阪大学大学院 基礎工学研究科および理化学研究所との共同研究により、回転ローター駆動型の気液二相流において、エネルギー損失が最大化するメカニズムを解明した。ローターと気液界面の直接的な衝突に加え、ローター周囲で生じる圧力分布の変化が、トルク増大に寄与することを明らかにした。

[MONOist]

　東京大学大学院 工学系研究科は2025年12月17日、大阪大学大学院 基礎工学研究科および理化学研究所との共同研究により、回転ローター駆動型の気液二相流において、エネルギー損失が最大化するメカニズムを解明したと発表した。実験とスーパーコンピュータを用いた数値シミュレーションを組み合わせることで、気液界面に生じる界面波の共振が損失に与える影響を特定した。

　研究では、実験と数値シミュレーションを組み合わせ、エネルギー損失が局所的にピークを示す「損失最大化」現象の発生メカニズムを解析した。数値解析には、大阪大学が運用するスーパーコンピュータ「SQUID」や、理化学研究所の計算機資源である「HOKUSAI BigWaterfall2」を活用した。

　その結果、損失の要因となるトルクの増大は、ローターと気液界面の直接的な衝突だけでなく、ローター周囲に形成される高圧域および低圧域の非対称な圧力分布と、その時間的変動が関与していることが分かった。数値計算により、ローター前方で流体が集まりやすくなる圧力分布や、後方で不安定な流れが増大する様子が確認され、これらがトルク増大に寄与していることが示された。

共振条件下における損失局所増大の測定結果と、数値計算を用いた力分布の可視化結果［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　また、液体の充填（じゅうてん）率が高くなるほど、損失を最大化する効果が弱まることも明らかになった。この結果から、回転速度だけでなく、液面の高さ（充填率）を適切に管理することで、エネルギー損失の低減につながる可能性が示された。

　動力伝達装置などの産業機器では、流体による攪拌損失が総エネルギー損失の大部分を占める。従来、共振時の時間変動成分は、故障リスクの観点からスロッシング（液体の揺動）が主に注目されてきた。一方で、トルクのような時間平均量が共振条件下で最大化する理由については、十分に理解されていなかった。

数値計算を用いた詳細解析の結果［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　今回の研究成果により、経験則に依存してきた機器設計を、物理的理解に基づく最適設計へと発展させることが可能になる。動力伝達装置や化学攪拌機などの産業機器において、流体抵抗や攪拌損失を低減するための設計指針を提供する成果として期待される。

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