熱流体数値解析法特論

Advanced Numerical Methods forThermofluid Dynamics

997E450

75ASFDT522

塚原　隆裕

Takahiro TSUKAHARA

2024年度前期

JFY2024, 1st

金曜3限

Friday 4th Period

創域理工学研究科　機械航空宇宙工学専攻

Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Graduate School of Science and Technology

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

熱流体力学および機器の評価・開発・基礎研究に必要となる数値的解析法の基礎的事項について教授する。
This course introduces the basics of numerical simulation/analysis methods required for evaluation, development and basic research of thermofluid dynamics and applications.

数値流体力学（CFD）の基礎的事項を理解して，単純な熱流動現象に対して適切な数値計算を実施し，解析結果の適切な解釈を行う能力を習得する。
本専攻のディプロマ・ポリシー
（1）機械航空宇宙工学分野に応じた高度な専門知識。
（2）機械航空宇宙工学分野に応じた研究能力。
（3）修得した高度な専門知識・研究能力と教養をもとに、自ら課題を発見・設定し、解決する能力。
（4）修得した高度な専門知識・研究能力と教養をもとに、国際的な視野を持って活躍できる能力。
に該当する科目である。

- Understand the basics of computational fluid dynamics (CFD).
- Acquire appropriate numerical simulation for simple thermofluid phenomena.
- Acquire the ability to interpret analysis results appropriately.

This course corresponds to the following diploma policy (1)-(4) in the Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Science and Technology:
(1) Advanced expertise according to the mechanical and aerospace engineering field.
(2) Research ability according to mechanical and aerospace engineering field.
(3) Ability to discover, set and resolve tasks themselves based on advanced expertise, research abilities and education acquired.
(4) Ability to be active with an international perspective based on advanced expertise, research ability and education acquired.

CFDの主要な計算手法の原理を理解し，基礎的なCFD技術および乱流モデルを含む高度なCFD技術の基礎を修得する。
Participants are expected to understand the principles of the main simulation methods of CFD and acquire the basics of advanced technology including basic CFD technology and turbulence model.

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/​​​

CFDプログラミング演習に向けて，Fortran，C/C++，MATLAB，Mathematica等のいずれかを扱えると良い。
For CFD programming exercises, you should be able to handle any of Fortran, C/C++, MATLAB, Mathematica, etc.

課題に対する作文　Essay／グループワーク　Group work／プレゼンテーション　Presentation／反転授業　Flipped classroom

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週１〜２時間の準備学習・復習が必要。
Preparation learning / review is necessary for 1 to 2 hours a week.

演習40%，レポート40%，出席20%（講義に参加し，質疑応答・議論に加わること）の割合で評価
Evaluation is carried out at the rate of the exercise 40%, the report 40%, and the attendance 40% (expected to participate in Q&A and discussion)

・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

N

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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).
​​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

庄司正弘：伝熱工学，東京大学出版会 (1995)
越塚誠一：数値流体力学，培風館 (1997)
梶島岳夫：乱流の数値シミュレーション，養賢堂 (1999)
H. K. Versteeg, W. Malalasekera, 松下 洋介（訳），他：数値流体力学 第2版，森北出版 (2011)
J. H. Ferziger, M. Peric, 小林 敏雄（訳）：コンピュータによる流体力学，丸善出版 (2012)

第１回：数値流体力学CFDの歴史と現状　CFDと計算機の歴史，産業界等でのCFDの位置付け
第２回：CFDの手法分類　有限差分法，体積法，粒子法などの紹介と概要説明
第３回：有限差分法の基礎（１）　１次精度風上，２次精度中心，数値拡散，数値振動
第４回：有限差分法の基礎（２）　オイラー陽解法，陰解法，Clank-Nicolson法，精度評価
第５回：有限差分法の基礎（３）　数値安定性，拡散数，クーラン数
第６回：CFD演習（１）　定常な熱伝達問題の演習
第７回：CFD演習（２）　定常な熱伝達問題の解説
第８回：高度なCFD手法（１）　高次精度差分，流束制限法
第９回：高度なCFD手法（２）　境界適合座標，SOR法，マルチグリッド法
第１０回：DNS　直接数値解析の基礎と実例
第１１回：LES　Large-eddyシミュレーションの基礎と応用
第１２回：乱流のモデリング（１）　混合長理論，渦粘性モデル
第１３回：乱流のモデリング（２）　二方程式モデル，レイノルズ応力方程式モデル
第１４回：乱流モデル演習（１）　乱流モデルによる熱伝達の計算実習
第１５回：乱流モデル演習（２）　乱流モデルによる熱伝達の計算実習と解説

Course content:
1st: History and Current Status of Computational Fluid Dynamics (CFD) in Industry
2nd: Introduction and overview of Finite Difference Method (FDM), volume method, particle method, etc.
3rd: Fundamentals of FDM (1) First-order accuracy upwind and 2nd-order accuracy central difference scheme, numerical diffusion and oscillation
4th: Fundamentals of FDM (2) Euler explicit method, implicit method, Crank-Nicolson method, accuracy evaluation
5th: Fundamentals of FDM (3) Numerical stability, diffusion number, CFL number
6th: CFD exercise (1) Exercise of steady heat transfer problem
7th: CFD exercise (2) Explanation of steady heat transfer problem
8th: Advanced CFD method (1) High-order accuracy difference, flux limiter
9th: Advanced CFD method (2) Boundary fitted coordinates, SOR method, multigrid method
10th: Basics and examples of Direct Numerical Simulation (DNS)
11th: Basics and applications of Large-eddy simulation (LES)
12th: Modeling of turbulence (1) Mixing length theory, Eddy viscosity model
13th: Modeling of turbulence (2) Two-equation model, Reynolds stress equation model
14th: Turbulence model exercise (1) Heat transfer calculation practice using turbulence model
15th: Turbulence model exercise (2) Practice and explanation of heat transfer calculation by turbulence model

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Mathematica／MATLAB/Simulink／COMSOL Multiphysics／Creo Parametric

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