流体の摩擦抵抗を減らし、高性能なモノづくりに生かす

掲載情報は2025年2月現在

所属	大学院情報理工学研究科 機械知能システム学専攻
メンバー	守 裕也 教授
所属学会	日本機械学会、日本流体力学会
研究室HP	http://www.mamorilab.mi.uec.ac.jp/
印刷用PDF	守 研究室（PDF：1.3MB）

自動車や航空機、船舶など人やモノを運ぶ輸送機においては、運行時に機体が流体（空気や海水）から受ける抵抗をできるだけ減らすことが求められています。流体から受ける抵抗を最小限に抑えることで、機体を動かすために必要な動力（エネルギー）を削減できるため、結果的に輸送コストの圧縮につながるのです。
流体から受ける抵抗の一つに機体の表面と流体の間に生じる「摩擦抵抗」があり、この摩擦抵抗をいかに小さくするかが設計上の大きな課題になっています。通常、輸送機周りの流れには複雑な乱流の渦が存在しているため、工学的に制御することは非常に困難です。また、乱流渦は非線形現象であり、予測がしにくいことから、そのメカニズムを解明することは理学的にも重要なテーマになっています。

進行波状制御を提案

守教授が提案しているのは、壁面上に人工的に波を与えて流体を制御する「進行波状制御」という手法です。流れに対して逆方向に波を与える方法は従来もありましたが、進行波を流れと同じ方向に与えることで、流体の乱れが減衰して摩擦が非常に小さい層流になり（再層流化）、結果として摩擦抵抗が約70％減ることをシミュレーションによって確認しました。

摩擦抵抗を減らし、熱の伝達性能も向上

進行波を与えると流れに直角の方向に軸を持つ横渦が発生しますが、これによって摩擦抵抗の原因である流れ方向に軸を持つ縦渦が消え、摩擦抵抗が減ることがその理由であることが分かりました。従来法は乱流のままで再層流化しておらず、摩擦抵抗の低減率は20％程度でした。

航空機や自動車に応用

進行波はイルカが遊泳時に使っているという説もあります。進行波状制御はアクチュエータでコントロールが可能なため、実用化が見込めます。守教授はこうした流体の制御法を、航空機の翼周りや自動車の車体周辺といった、より流れの速い実用的な乱流場に応用することを目指しています。また、摩擦抵抗を減らしながら、熱の伝わりやすさは維持するという、この相反する性能の両立に進行波状制御を利用することも検討しています。このような試みは、エアコンなどに搭載する熱交換器の性能向上などに役立ちそうです。

AIとの比較で精度を高める

一方、進行波状制御以外にも、表面加工によって流れを制御する研究にも取り組んでいます。例えば、ハスの花などにみられる超撥水（ちょうはっすい）性の加工や、“さめ肌”と言われる、サメの表皮にある周期的な凹凸構造（リブレット）を模した加工などによる摩擦抵抗の低減効果を実証しています。リブレット加工は航空機の機体などに施されており、守教授はこのリブレットの溝に粒子が付着した時の抵抗の変化などをいち早くシミュレーションで確認しています。
最近では、フィードバック制御や非線形予測といった新たな研究にも乗り出しています。例えば、乱流において流れる速度の時系列データを取得した上で、これをカオスとみなし、カオスによって乱流の状態を予測して制御する「決定論的カオス」としてフィードバック制御が可能なことを発見しました。決定論的カオスによる制御で、実際に摩擦抵抗を減らせることも示しています。このように、守教授はディープラーニング（深層学習）や強化学習といった、人工知能（AI）技術の一つである機械学習の手法を使った乱流制御や解析結果とも比較しながら研究を進めています。
今後は、大規模な円管において加熱や冷却時の乱流を減らすラージスケール制御などにも着手し、これらの成果を生かして「自動車メーカーや材料メーカーなど、企業との共同研究にも積極的に取り組んでいきたい」と守教授は考えています。

【取材・文＝藤木信穂】