マイクロ流路デバイスの最適流路創成設計を目的としたトポロジー最適化

微通道器件最优通道创建设计的拓扑优化

• 批准号: 14J02008
• 负责人: 矢地 謙太郎
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J02008/
• 关键词: 構造最適化; トポロジー最適化; 数値流体力学; 格子ボルツマン法; マイクロ流路; ヒートシンク; マイクロリアクタ; 最適設計; 計算力学; マイクロ流路デバイス

本年度は、種々の流路デバイスの抜本的な性能向上、あるいは革新的な流路構造の創成を目的として、熱と流体のマルチフィジックスを考慮したヒートシンクの熱交換性能最大化問題、および異なる不混和性の溶媒を利用した液液抽出マイクロ流路の抽出性能最大化問題を対象としたトポロジー最適設計法に関する研究を行った。これらの研究では、前年度までに構築した流体場と随伴場の解析に格子ボルツマン法を用いる感度解析手法を導入することで、設計感度を効率的かつ正確に算出可能な最適化アルゴリズムを開発した。まず、ヒートシンクのトポロジー最適設計法では、熱交換性能最大化と、圧力損失の最大値を規定する制約条件により最適化問題を定式化し、数値例により提案手法の妥当性を検証した。その結果、幾何学的に複雑な流路構造が得られることを確認している。また、二相流を扱う流路デバイスのトポロジー最適設計法では、液液抽出を移流拡散方程式に帰着させる方法と、二相流の界面を捕捉するためのフェーズフィールド法とを組み合わせて最適化問題を定式化し、格子ボルツマン法により液液抽出と二相流を同時に解析する最適化アルゴリズムを構築した。数値例により提案手法の妥当性と有効性を検証した結果、液液抽出が十分に完了するように、従来から使用されているような波状の流路形状が最適解として得られることを確認している。また、圧力損失の最大値を規定するパラメータを変更することにより、圧力損失と抽出性能の相反関係を考慮しながら液液抽出マイクロ流路の最適設計を行うことが可能であることがわかった。なお、これらの研究成果は、国内外の主要な学術論文に６報掲載されている。本研究の研究成果により、これまでにない画期的な流路デバイスの新たな創成設計法の確立が今後期待できる。

This year, we will conduct research on optimization design method for maximizing heat exchange performance of heat transfer system, utilizing heterogeneous solvents, and maximizing extraction performance of liquid extraction system. This study was conducted in the past year to construct fluid fields and analyze accompanying fields. The sensitivity analysis method was used to introduce sensitivity analysis methods. The sensitivity analysis method was used to calculate the possible optimization. The optimal design method of heat exchanger is to maximize the heat exchange performance, to specify the maximum value of pressure loss, to formulate the optimization problem, and to demonstrate the appropriateness of the proposed method. The results of geometry and complex flow path structure are confirmed. The optimal design method for two-phase flow path optimization is to formulate the optimization problem by using the lattice method for simultaneous analysis of liquid-liquid extraction and two-phase flow. For example, the appropriateness of the proposed method is verified. The liquid extraction is completed. The shape of the wavy flow path is confirmed. The maximum value of pressure loss shall be specified, and the inverse relationship between pressure loss and extraction performance shall be considered. The optimum design of liquid extraction flow path shall be carried out. The results of this research have been published in six major academic papers at home and abroad. The research results of this study are expected to be established in the future.

项目成果

A level set based topology optimization method for micropump design utilizing induced-charge electroosmosis

基于水平集的感应电荷电渗微泵设计拓扑优化方法

• 发表时间: 2015
• 作者: Ryuta Tanaka;Kentaro Yaji;Takayuki Yamada;Kazuhiro Izui;Shinji Nishiwaki
• 通讯作者: Shinji Nishiwaki

Level set-based topology optimization for a coupled thermal-fluid problem using the Lattice Boltzmann Method

使用格子玻尔兹曼方法对热流体耦合问题进行基于水平集的拓扑优化

• 发表时间: 2014
• 作者: K. Yaji;T. Yamada;M. Yoshino;T. Matsumoto;K. Izui;S. Nishiwaki
• 通讯作者: S. Nishiwaki

Level set-based topology optimization for design of a fluid channel considering thermal effects using the lattice Boltzmann method

使用格子玻尔兹曼方法考虑热效应的基于水平集的拓扑优化流体通道设计

• 发表时间: 2014
• 作者: K. Yaji;T. Yamada;M. Yoshino;T. Matsumoto;K. Izui;S. Nishiwaki
• 通讯作者: S. Nishiwaki

Topology optimization incorporating level set boundary expressions for incompressible viscous fluid using the lattice Boltzmann method

使用格子玻尔兹曼方法结合不可压缩粘性流体水平集边界表达式的拓扑优化

• 发表时间: 2014
• 作者: K. Yaji;T. Yamada;M. Yoshino;T. Matsumoto;K. Izui;S. Nishiwaki
• 通讯作者: S. Nishiwaki

Shape and topology optimization based on the convected level set method

• DOI: 10.1007/s00158-016-1444-z
• 发表时间: 2016-04
• 期刊: Structural and Multidisciplinary Optimization
• 影响因子: 3.9
• 作者: K. Yaji;M. Otomori;T. Yamada;K. Izui;S. Nishiwaki;O. Pironneau