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成果報告書詳細
管理番号20170000000065
タイトル平成27年度成果報告書 革新的新構造材料等研究開発 電子・材料・ナノテクノロジー部実施事業の周辺技術・関連課題における小規模研究開発の実施 バイオミメティクスによる流体制御に関する研究開発
公開日2017/6/7
報告書年度2015 - 2015
委託先名株式会社日立製作所
プロジェクト番号P14014
部署名材料・ナノテクノロジー部
和文要約要約(和文)
生物の体表が有する立体的な三次元(3D)構造が外界との相互作用を受けながら機能を発現する最適構造に至った特徴をモデル化し,産業機器へ適用することで産業機器の性能向上を試みた。具体的には,鮫体表の微細構造の3D計測と構造の3Dデータ化,3Dデータを基に流体特性を解析し,どのような流体状態が鮫体表で生じているのかを解明した後,類似の流れ状態を人工的に発生できるモデル構造を設計(バイオミメティックデザイン)した。そして産業機器としてOil & Gas分野で多用されている遠心圧縮機の性能向上を実証対象として選択し,遠心圧縮機の基幹部材であるディフューザにバイオミメティックデザインの適用を試みた。ディフューザの高度流体解析から流体特性の劣化を引き起こしている部位がディフューザの静止翼の先端部であることから,静止翼先端部にバイオミメティックデザインの加工を試みた。そして,バイオミメティックデザインを加工した静止翼をディフューザに組み込み,ディフューザの流体特性を従来品と比較した。
はじめに,生物体表のモデリングに関する研究開発においては,ガラパゴスザメ(高速遊泳性),ネムリブカ(比較的遊泳性),ノコギリザメ(底生性,遊泳性低い),ネコザメ(底生性,遊泳性非常に低い)の4種類の遊泳性の異なる鮫体表構造をX線マイクロCT法,及びナノスーツ法の処理によって湿潤な状態での体表をSEM観察した。解析の結果,鱗が体表面に対して傾斜していること,及び流れに沿って幅の異なる溝構造が楯鱗に形成されていることが分かった。
次に,バイオミメティックデザインの開発では,4種類の鮫体表の微細構造が流れ状態に与える因子を抽出し,鮫体表構造をベースとした表面構造の設計を目的とした。ここでは,人工的に設計した生物由来の表面構造をバイオミメティックデザインと呼ぶ。目標としたバイオミメティックデザインは3件である。楯鱗の3DデータをSSTモデルで流体解析し,最も遊泳性の高いガラパゴスザメにおいて,特徴的な流れとして上昇流と縦渦の二種類を抽出した。そして二種類の流れを人工的に発生可能なバイオミメティックデザインを3種類決定した(BMD_1,BMD_2,BMD_3)。BMD_1はくさび構造であり,BMD_2とBMD_3は非対称リブレット構造である。さらに,3種類のバイオミメティックデザインをディフューザ静止翼先端部に施した場合のディフューザの流れ状態をLESモデルで流体解析した結果,再付着点が上流側に移動し,剥離領域が減少することが分かった。そして,バイオミメティックデザインを適用しない従来型の静止翼に比べ,バイオミメティックデザインを施した静止翼ではディフューザの圧縮効率を向上できる見通しを得た。
そして生物模倣3D造形の研究では,設計した3種類のバイオミメティックデザインをディフューザ静止翼に加工する手法を検討した。樹脂系3Dプリンタでは分解能が足りず,バイオミメティックデザインを静止翼先端部に造形することが出来なかった。そこで,予めアルミ製静止翼を切り出した後,精密切削法によって造形することで静止翼先端部にバイオミメティックデザインを加工した。本検討では,3種類のバイオミメティックデザインを全て加工した。
さらに,バイオミメティックデザイン部材の流体特性評価研究では,3種類のバイオミメティックデザイン(BMD)付き静止翼をそれぞれ19枚試作し,ディフューザに組み込み,BMDディフューザの流体特性を評価し,従来の平滑面静止翼を有するディフューザの流体特性と比較した。その結果,従来ディフューザで流れの剥離で効率が飽和する高流量領域において,BMDディフューザは圧縮効率がより高いことが分かった。3種類のBMDディフューザの内,BMD_3は従来ディフューザに比べて圧縮効率が1.7%高いことを実証した。
以上のように,鮫体表の3D計測で楯鱗の3D構造をデータ化した後,楯鱗の有する流体特性を解析,バイオミメティックデザインとして表面構造を設計し,ディフューザ静止翼で流れが剥離する箇所に適用した。その結果,従来のディフューザに比べ圧縮比を1.7%向上できることを実証した。このように生物の構造を先端計測技術と情報工学で機能解析し,産業機器の課題の解決に供する工学的アプローチは,バイオミメティクスが社会実装される際のモデルケースになると考えられる。
英文要約要約(英文)
The surfaces of living matter have various 3D-structures which have been achieved during evolutional process with external nature. We carried out the modeling of biological surfaces and applied to the industrial products. In practical, we characterized the 3D-structures of shark skin, simulated the flow dynamics on the shark skin, and investigated the surface model which can generate the same flow as shark. We selected the centrifugal compressor as the candidate of application and applied the biomimetics design to the diffuser vanes which reducing the efficiency of centrifugal compressor. And we compared the flow characteristic between the conventional and biomimeticaly designed diffusers.
First, in the theme on modeling of biological surface, we analyzed the skin surfaces of Galapagos shark (high speed swimming), Whitetip reef shark (relatively high speed swimming), Japanese sawshark (infaunal, low speed swimming), and Japanese bulhead shark (infaunal, extremely low swimming). We used the X-ray micro-CT for 3D measurements, and SEM observation with nano-suit treatment. We found that the dermal denticle of shark has two features. One is the tilted structures and another is asymmetrical groove structures.
Next, in the theme on development of biomimetic design, we analyzed the flow mechanics of 4 kinds of dermal denticle, and found that there are two kinds of unique flow state, rising flow and vertical vortex. Based on the flow analysis on the dermal denticles, three kinds of biomimetic design (BMD_1,BMD_2,BMD_3) were investigated which can generate the rising flow and vertical vortex. BMD_1 is wedge-like shape and BMD_2 and BMD_3 have asymmetric riblet surfaces. Furthermore, LES (Large Eddy Simulation) of BMDs on diffuser vanes were analyzed and found that BMDs could enhance the compressive efficiency of diffuser.
In the theme on 3D-formation, the fabrication methods were investigated to make the BMDs on the tips of the diffuser vanes. We first tried 3D-printing using ABS resin but the resolution of 3D-printer was not enough for BMD fabrication. Fine patterning of BMD onto diffuser vanes were achieved by using the precision cutting of pre-shaped aluminum vanes. We prepared all three kinds of BMD vanes.
Finally, in the theme on flow evaluation of BMD parts, 19 vanes with BMD were fabricated for three diffusers, and three BMD diffusers were assembled. We also assembled the diffuser with plane vanes as a reference. We confirmed that the compressive efficiency of BMD diffusers were higher than the reference diffuser. Especially 1.7 % higher efficiency was achieved by BMD_3, and accomplished the project goal of 1%.
As a summary, we obtained the 3D-CAD data of shark skin by X-ray micro CT method, and build-up the 3D-CAD of four kinds of shark’s dermal denticles. The flow dynamics on these scales were analyzed and found two unique flows, rising flow and vertical vortex. We designed three kinds of biomimetic designs (BMDs) which can generate the rising flow and vertical vortex simultaneously. The BMDs were fabricated on the diffuser vanes and confirmed 1.7 % higher compressive efficiency than conventional diffuser. The research approach as shown in this project will be the leading model how to apply the biomimetic research to real products.
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