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科目の基本情報

開講年度 2017 年度
開講区分 工学部機械工学科 ・専門教育
受講対象学生 学部(学士課程) : 3年次
工学部機械工学科
選択・必修 選択
学科選択
授業科目名 数値熱流体力学
すうちねつりゅうたいりきがく
Computational Thermo-Fluid Dynamics
単位数 2 単位
他学部・他研究科からの受講
市民開放授業 市民開放授業ではない
開講学期

後期

開講時間 木曜日 3, 4時限
開講場所

担当教員 辻本公一(工学研究科機械工学専攻)

TSUJIMOTO, Koichi

学習の目的と方法

授業の概要 熱流体のシミュレーションを行うため、必要となるコンピュータ言語のFORTRANならびに基本的な数値解析技術を学ぶ。
学習の目的 多くの設計の現場において、実験とシミュレーションの両者を併用した評価が必要不可欠となっている。最近では熱流体現象のための市販の汎用ソフトが利用される機会も多くなっているが、流動現象を正確に表現できるモデルが完成されていないことや、また補足的ではあるがユーザ自身の計算に対する不慣れさなどの因子により、満足できる予測精度を持った結果を必ずしも得られないのが実情である。汎用ソフトでは工学的な機器内に関連する複雑なすべての流動現象を取り扱うことが出来るとは限らず、また熱流体現象を支配方程式を忠実に解くことよりも、むしろそれぞれ対象とする場に応じた支配方程式の簡略化とそれに付随する現象のモデル化により計算を行った方が結果的に精度よい予測結果を生む場合も多い。したがって汎用コードに頼らず熱流体現象をシミュレーションするための基本的な手続きを学ぶことは、将来的に利用するであろう多くのアプリケーションへの先鞭をつけると同時に、汎用ソフトの適用範囲を超えた工学的問題に直面した場合の有効な問題解決手段を身につけることとなるであろう。熱流体現象を数値的にシミュレーションすることは換言すれば、支配方程式を数値的に解くこと、すなわち偏微分を方程式を解くことが基本となるが、数学で学ぶような連続的な解析関数として取り扱かわず、有限な離散情報の代数関係を導き、それに関する代数方程式を解くこと、さらに言えば安定して解くことの技術が必要とされる。
本講義では、科学技術計算において重要な言語の一つであるFORTRANの基本から、数値計算法の基礎的な原理や方法論について学ぶ。
学習の到達目標 熱流体問題に関連する偏微分方程式を離散的に展開し、解析する手法を修得する。また数値解析技術を修得するにはプログラミングによる演習が不可避である。 総合情報処理センターのパソコンを使用した演習を通して、プログラミング技術を身に付ける。
ディプロマ・ポリシー
○ 学科・コース等の教育目標
○ JABEE 関連項目

○ 全学の教育目標
感じる力
  •  感性
  •  共感
  •  倫理観
  •  モチベーション
  • ○主体的学習力
  •  心身の健康に対する意識
考える力
  •  幅広い教養
  • ○専門知識・技術
  •  論理的思考力
  •  課題探求力
  • ○問題解決力
  •  批判的思考力
コミュニケーション力
  •  情報受発信力
  •  討論・対話力
  •  指導力・協調性
  •  社会人としての態度
  •  実践外国語力
生きる力
  •  感じる力、考える力、コミュニケーション力を総合した力

授業の方法 講義

授業の特徴

教科書 特に指定しない。
参考書 FOTRAN77と数値計算法 (培風館) 
成績評価方法と基準 出席は必要条件であり,8割以上出席した者に対して単位を与える.
評価は,宿題レポート,試験の総計100点で行うが,受講者の人数も含めた受講状況を判断しながらその配分は決定する.総計点数/10を四捨五入して最終成績とし,最終成績6以上を合格とする.
オフィスアワー 毎週月曜12:00から13:00 第一合同棟辻本教員室
受講要件 特にない。
予め履修が望ましい科目 本科目は機械系専門教育科目のうちエネルギと流れに関する基幹科目の中に設定されている.直接的には「輸送現象論及び演習」の後継として位置付けられているが、関連する数学科目,例えば「工業数学Ⅲ IV」等で学習する内容が学術的な基盤となっている.したがって特に履修する際の前提条件としてこれら科目の履修,単位取得されていることがきわめて望ましい.
発展科目 特にない。
授業改善への工夫 本講義は実習つきの授業ではないが,数値解析を理解するためには計算機と向き合って実際の計算結果を確認することが重要である.このことに鑑み,講義の中に総合情報処理センターにおける実習を組み込んでいる.
その他 なし

授業計画

キーワード 計算機利用の基礎,エネルギ保存則,熱移動と温度
プログラム言語,数値計算,データ解析,シミュレーション,数値流体力学
差分法,有限体積法
Key Word(s) Fortran, Numecal simulation, Numerical methods, heat transfer, CFD
学習内容 第 1回 フォートラン(Fortran)の基礎I
第 2回 フォートラン(Fortran)の基礎II
第 3回 フォートラン(Fortran)の基礎III
第 4回 非線形方程式の数値解法
第 5回 フォートランによる非線形方程式の数値解析
第 6回 連立一次方程式の解法(直接法)
第 7回 連立一次方程式の解法(反復法)
第 8回 フォートランによる連立一次方程式の数値解析
第 9回 補間法
第10回 数値積分と数値微分
第11回 最小二乗法と演習
第12回 常微分方程式の解法
第13回 フォートランによる常微分方程式の数値解析
第14回 熱伝導方程式の簡単な例題と演習
第15回 流れの数値シミュレーションについて
第16回 定期試験
学習課題(予習・復習) 授業時に指定する。
ナンバリングコード(試行) EN-ENGY-3

※最初の2文字は開講主体、続く4文字は分野、最後の数字は開講レベルを表します。 ナンバリングコード一覧表はこちら


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