熱流体工学

（１）乱流 1. 導入 - 層流から乱流へ - 無次元化、テンソル表記の復習 - 乱流の性質、マルチスケール性、非線形性 - エネルギーカスケード 2. レイノルズ平均ナビィエストークス方程式 - レイノルズ平均 - レイノルズ応力 - 乱流のクロージャー問題 - 混合長モデル 3. 壁乱流 - 平均速度分布、壁法則 - 各種乱流統計量、スケーリング - 壁面境界層の秩序構造 4. 乱流のエネルギー収支 - エネルギー収支式 - 乱流生成と散逸 - 積分スケールとコルモゴロフスケール 5. 乱流モデル - 渦粘性型レイノルズ平均モデル - ラージエディーシミュレーション - 直接数値シミュレーション（DNS） ---------------------------- Turbulence 1. Introduction - Transition from laminar to turbulent flow - Characteristics of turbulent flow (multi-scale and highly non-linear nature) - Energy cascade 2. Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations - Reynolds average - Reynolds stress - Closure problem of turbulence - Mixing-length model 3. Wall turbulence - Mean velocity profile and the law of the wall - Turbulent statistics, scaling - Coherent structures in turbulent boundary layer 4. Energy budget - Derivation of energy budget equation of turbulent flow - Turbulent production and dissipation - Integral and Kolmogorov scales 5. Turbulence model - Eddy-viscosity turbulence model - Large-eddy simulation (LES) - Direct numerical simulation (DNS) （２）圧縮性流れ １．流れの基礎式 - 連続の式 - 運動方程式 - エネルギー式 - 状態方程式 ２．熱力学 - 熱力学の復習 - 粘性，熱伝導により生成されるエントロピー ３．音速 - 導出 - マッハ数 ４．等エントロピー流れ - 断面積変化と流れの諸量の関係 - ラバルノズル内の流れ(1) ５．有限振幅等エントロピー波 - 波の伝播速度 - 有限振幅波の波形の時間変化 - リーマン不変量 ６．垂直衝撃波 - ランキン・ユゴニオの式 - エントロピーに関する議論 - 垂直衝撃波前後の関係式 - ラバルノズル内の流れ(2) ---------------------------- Compressible Flow 1. Fundamental equations - Continuity equation - Momentum equation - Energy equation - Equation of state 2. Thermodynamics - Review of thermodynamics - Entropy production by viscosity and heat conduction 3. Speed of sound - Derivation - Mach number 4. Isentropic flow - Relation between cross-section and fluid quantities - Laval nozzle (1) 5. Finite-amplitude isentropic wave - Wave propagation velocity - Temporal evolution of the profile of a finite amplitude wave - Riemann invariant 6. Normal shock wave - Rankine-Hugoniot equation - Discussion about entropy - Relation between flow quantities before and after a normal shock wave - Laval nozzle (2) （３）反応性流れ １．燃焼の基礎 - 1次元自由伝播火炎 - 燃焼速度 - 断熱火炎温度 ２．燃焼の化学反応 - 化学量論 - 総括反応と素反応 - 窒素酸化物 - 低温酸化反応 ３．可燃限界 - 着火と消炎 - 火炎と壁面の干渉効果 ４．カーボンフリー燃料 - 脱炭素化と水素社会 - アンモニア燃焼 ５．燃焼の応用 - 内燃機関における燃焼 - レーザ計測 ---------------------------- Reactive Flow 1. Fundamentals of combustion - 1-D freely-propagating flow - Flame speed - Adiabatic flame temperature 2. Chemical kinetics - Stoichiometry - Global/elementary reaction - Low-temperature oxidation - NOx formation 3. Flammable limits - Ignition and extinction - Flame-wall interaction 4. Carbon-free fuel - Decarbonization and hydrogen society - Ammonia combustion 5. Practical application of combustion - Internal combustion engine - Laser diagnostics （４）混相 １．流体機械 - 機械の分類 - 静水力学 ２．動翼の仕組み - 速度三角形 - 性能と失速 ３．機械の損傷 - キャビテーションとエロージョン - 音速と振動 ４．相似則 - 無次元数 - バッキンガムのパイ定理 ５．粒子の流れ - ストークス流れ - 抗力係数 ６．気泡の変形 - 表面張力 - 気泡の振動 (4) Multiphase Flow 1. Fluid Machinery - Classification of Fluid Machinery - Hydrostatics 2. Mechanism of Rotor Blades - Velocity Triangle - Performance and Stall 3. Damage to Machinery - Cavitation and Erosion - Sounod of Speed and Vibration 4. Similarity Laws (Scaling Laws) - Dimensionless Numbers - Buckingham’s π Theorem 5. Particle Flow - Stokes Flow - Drag Coefficient 6. Bubble Deformation - Surface Tension - Bubble Oscillation

講義形式で実施する．

レポートおよび期末試験によって評価する． The course grade will be based on homework and the final exam.

＜事前履修＞ 流れ学第一，流れ学第二，熱工学第一，熱工学第二

＜前提となる知識・項目＞ 熱力学、連続体の概念、流れにおける質量・運動量・エネルギーの保存方程式、ナヴィエ・ストークス方程式、エネルギー方程式、粘性流れ、熱伝達、レイノルズ数、ヌセルト数などの流体と熱に関する予備知識、および初等数学 ＜応用先・項目＞ 熱流体機器とデバイス（自動車、高速列車、航空機、ジェットエンジン、宇宙ロケット、発電・エネルギーシステム、電子デバイス冷却）