粘性流体力学

Viscous Fluid Dynamics

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45BAFLD311

山本　誠

Makoto Yamamoto

2024年度前期

2024 First Semester

木曜3限

Thursday 3rd Period

工学部　機械工学科

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

流体力学で学んだ水力学、完全流体力学の知識に基づいて、流体の運動における粘性効果について説明する。具体的には、粘性、境界層理論、ナビエ・ストークス方程式、乱流、流れ制御などに関して現象論を中心に講義する。
Based on the knowledge of hydraulics and perfect fluid mechanics learned in Fundamental Fluid Dynamics, various effects of viscosity on fluid motions are phenomenologically explained. To be concrete, this lecture focuses on viscosity, boundary layer theory, Navier-Stokes equation, turbulent flow, flow control, and so on.

粘性、境界層理論、ナビエ・ストークス方程式、乱流、流れ制御について深く理解し、明確に説明できるようになる。
The objective of this lecture is to deeply understand viscosity, boundary layer theory, Navier-Stokes equation, turbulent flow, flow control, and related topics. Students must have the ability to explain them clearly.

粘性、境界層理論、ナビエ・ストークス方程式、乱流、流れ制御について説明できる。ナビエ・ストークス方程式を用いて、基本的な粘性流体に関する現象を考察し、より良い流体機械の設計に向けた提案をすることができる。
Students must have the ability to explain viscosity, boundary layer theory, Navier-Stokes equation, turbulent flow, flow control, and related topics. In addition, students can provide any design proposal to improve fluid machinery, using the Navier-Stokes equation and considering the fundamental physics of viscous fluid.

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

基礎流体力学の単位を取得しておくこと。
It is better for students to get the credit of Fundamental Fluid Dynamics a priori.

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毎回の講義後、参考書やインターネットを利用して、講義内容に対する理解を深めておくこと。毎期の講義に対して、予習に1時間、復習に1時間以上はあてること。
After each lecture, students must deepen his/her understanding of the contents given in the lecture, using the textbook and/or the Internet. Students should prepare and review each lecture for more than 2 hours.

中間課題20％および総まとめ時の確認テスト80％により評価する。
Evaluated by an internal report/test (20%) and an end-of-term test (80%)

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S： Achieved outcomes, excellent result
・A： Achieved outcomes, good result
・B： Achieved outcomes
・C： Minimally achieved outcomes
・D： Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
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「粘性流体の力学」、生井、井上共著、理工学社
「流体力学」、日野幹雄著、朝倉書店
Viscous Fluid Dynamics, Edited by M.Ikui and M.Inoue, Rikougakusha
Fluid Dynamics, edited by M.Hino, Asakura-shoten

1 ガイダンス、流体の性質
　完全流体と実在流体の違い、粘性、圧縮性の物理的解説を行なう。それらの物理的特性を説明できるようになる。
1 Guidance and Properties of fluid
　After giving guidance, the properties of fluid such as the difference between perfect fluid and real fluid, viscosity, and compressibility are explained.  
　Students will be able to explain the physical aspects.

2 レイノルズの相似則
　レイノルズの相似則を導き、その物理的意味と応用について説明できるようになる。
2 Reynolds' law of similarity
　Reynolds' law of similarity is derived based on phenomenology. Students will be able to explain the physical meaning of the law and apply it to
　practical problems in engineering.

3 境界層の概念と剥離現象（１）
　物体まわりに発生する境界層について解説し、その剥離の重要性について講義する。これらの現象が説明できるようになる。
3 Concept of boundary layer and its separation (1)
　Boundary layer that appears around a body and the importance of boundary layer separation is explained. Students will be able to explain these
　phenomena.

4 境界層の概念と剥離現象（２）
　物体まわりに発生する境界層について解説し、その剥離の重要性について講義する。これらの現象が説明できるようになる。
4 Concept of boundary layer and its separation (2)
The boundary layer that appears around a body and the importance of boundary layer separation is explained. Students will be able to explain these phenomena.

5 連続の式
　連続の式を導き、その物理的意味を解説する。連続の式の意味を説明できるようになる。
5 Continuity equation
The continuity equation is mathematically derived, and the physical meaning is explained. Students will be able to explain the meaning of the continuity equation.

6 ナビエ・ストークス方程式（１）
　ナビエ・ストークス方程式を数学的に導き、その物理的意味を説明する。NS方程式の導出が説明できるようになる。
6 Navier-Stokes equation (1)
　Navier-Stokes equation is derived mathematically, and the physical meaning is explained. Students will be able to explain the derivation.

7 ナビエ・ストークス方程式（２）
　ナビエ・ストークス方程式を利用して、レイノルズの相似則、渦度輸送方程式を導き、その性質について解説する。NS方程式の利用方法が説明できるよ
　うになる。
7 Navier-Stokes equation (2)
　Using the Navier-Stokes equation, Reynold's law of similarity and vorticity transport equation are derived, and the physical meanings are explained.
　Students will be able to explain how to use the Navier-Stokes equation.

8 ストークス近似
　ナビエ・ストークス方程式のストークス近似について説明する。また、その応用について解説する。ストークス近似とストークス流れについて説明できる
　ようになる。
8 Stokes' approximation
　Applying Stokes' approximation to the Navier-Stokes equation, the Stokes equation is derived. In addition, the practical application of Stokes'
　equation is explained. Students will be able to explain Stokes' approximation and Stokes' flow.

9 層流境界層と遷移
　境界層近似の概念とナビエ・ストークス方程式への適用を示す。境界層方程式が導かれる。層流境界層の物理的性質と乱流への遷移について説明する。
　境界層方程式について説明できるようになる。
9 Laminar boundary layer and transition
　The concept of boundary layer approximation and its application to the Navier-Stokes equation are explained. As a result, the boundary layer
　equation is derived. In addition, the Characteristics of the laminar boundary layer and its transition to turbulent flow are explained.
　Students will be able to explain the boundary layer equation.

10 乱流境界層（１）
　乱流の定義、およびレイノルズ平均ナビエ・ストークス方程式の導出とその境界層近似について説明する。乱流がどのような流れなのかを説明できるよう
　になる。
10 Turbulent boundary layer (1)
　The definition of turbulent flow, the derivation of the Reynold-averaged Navier-Stokes equation, and its boundary layer approximation are explained.
　Students will be able to explain what turbulent flow is.

11 乱流境界層（２）
　レイノルズ応力を評価するためのプラントルの混合長理論について説明する。レイノルズ応力の評価方法を説明できるようになる。
11 Turbulent boundary layer (2)
　To estimate Reynolds stress that appears in the Reynold-averaged Navier-Stokes equation, Prandtl's mixing length hypothesis is explained. Students
　will be able to explain the estimation method for Reynolds stress.

12 乱流境界層（３）
　指数法則、対数法則など乱流境界層の平均的特性について解説する。乱流の平均特性が説明できるようになる。
12 Turbulent boundary layer (3)
　Mean characteristics of turbulent boundary layers such as power law and logarithmic law are explained. Students will be able to explain the mean
　characteristics of the turbulent boundary layer.

13 乱流境界層（４）
　乱流境界層の中で生じている現象を示し、乱流境界層内の乱れの構造について解説する。乱流境界層内の現象を説明できるようになる。
13 Turbulent boundary layer (4)
　Phenomena occurring in the turbulent boundary layer are introduced, and the flow structures in the turbulent boundary layer are explained. Students
　will be able to explain the phenomena in the turbulent boundary layer.

14 流れ制御
　さまざまな流れ制御方法を解説し、それらの応用例について説明する。境界層をどのようにコントロールすればエネルギー損失を減らすことができるのか
　について説明できるようになる。
14 Flow control
　Various flow control methods and their application in engineering are explained. Students will be able to explain how to control boundary layers and
　how to suppress energy loss.

15 到達度評価及びまとめ
　到達度評価を実施し、14回までの講義を振り返り、総まとめを行う。
15 Achievement test and summary
　An achievement test is performed. Reviewing all lessons, this lecture is summarized.

Aerodynamic design of jet engines for 3 years in a heavy-industry company

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