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

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。

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。