熱流体システムデザインは，要素（部品）を深く理解するだけでは完結せず，システム全体の要求・制約の中で最適化することが重要です．当研究室では，3D-CAE（CFD）による現象理解と，1D-CAEによるシステム設計を接続し，モデルベースデザインに基づく熱流体システムデザイン手法を構築します．
[Keywords]
熱流体システムデザイン研究とCAE
熱流体設計・熱流体研究において，CAE（Computer-Aided Engineering）は「見えない現象を見えるようにする」ための非常に有力なツールです．当研究室でも，数値シミュレーションを駆使し，現象の理解から設計への応用までを一貫して扱います．
当研究室のCAEの考え方：3D-CAEと1D-CAE
当研究室では，特に3D-CAEと1D-CAEの両方を取り扱い，目的に応じて使い分け，さらに両者を連携させます．
3D-CAE（CFD）：要素（コンポーネント）を深く理解する
3D-CAEは，3次元形状を数値モデルとして再現し，モデルを微細な格子で分割したうえで，各格子における質量・運動量・熱の収支を計算し，流れ場や温度場の分布を予測します．流体シミュレーションは，数値流体解析（CFD：Computational Fluid Dynamics）と呼ばれます．
CFDは，はく離や渦構造などの詳細な3次元構造の影響を可視化・分析できるため，ファン性能解析や複雑な基板の伝熱分布解析など，要素レベルの解析に極めて有力です．一方で，高い信頼性を得るには多量の格子が必要となり，計算コストが増大します．そのため，システム全体の最適設計をCFDだけで回すことは現実的に難しいという課題があります．
1D-CAE：システム全体を速く回し，設計に使う
そこで，システムを構成する各コンポーネントを，物理現象の本質を損なわない範囲で簡潔に表現し，それらを接続してシステム全体の動作・制御を予測する手法が1D-CAEです．1D-CAEでは，対象を代表的な節点で表現し，節点間のやり取りとして物理量の移動を計算します．このようなモデルは集中定数系と呼ばれます．
伝熱現象を集中定数系で表現する代表例が熱回路網法で，伝熱と電気回路のアナロジーに基づき，伝熱現象を回路として表現し計算します．さらに流れも集中定数系で表現し，伝熱と流れを連成して扱う手法が熱流体抵抗網法（Flow and Thermal Resistance Network Method）です．当研究室では，熱流体抵抗網法または熱回路網法を軸に，1D-CAEの理論と応用を構築しています．
モデルベースデザイン（MBD）：計算を「設計の道具」にする
数値化したシステムモデルを用いて性能を計算し，製品開発や設計へつなげる考え方は，モデルベースデザイン / モデルベース開発（Model-Based Design / Model-Based Development）と呼ばれます．当研究室では，要素分析のためのCFDと，システム全体分析のための1D-CAEを両輪とし，全研究領域でMBDを応用します．
両者の連携による先進設計：精度と計算コストの両立
システム全体を集中定数系で再現したモデルを「システムモデル」，その動作を操作・制御するモデルを「コントローラモデル」，システム内で起きる物理現象を表現するモデルを「プラントモデル」と呼ぶことがあります．システム全体のMBDでは，システムモデルとプラントモデルを適切に表現することが，信頼性の高い設計に直結します．
一方で，プラントモデルの信頼性を高めようとして解像度（細かさ）を上げすぎると，計算コストが増大し，システム全体の設計探索が回らなくなります．このトレードオフを解くために，当研究室では，3D-CAEや実験により取得した物理情報でプラントモデルを的確に構築し，それを1D-CAEのシステムモデルへ組み込むという連携を重視します．
すなわち，
- システム側（トップダウン）から必要なプラントモデルの要件を定める視点
- 物理現象側（ボトムアップ）から信頼性の高いプラントモデルを構築し組み込む視点
の両者を融合させることで，モデルベースデザインを熱流体システムデザインの実用的なツールとして成立させます．
当研究室の推進内容
以上の考え方に基づき，当研究室では，「熱流体システムデザインへの適切なモデルベースデザイン手法の応用」を多様な事例で検証するとともに，次世代の熱流体設計を担うシミュレーション手法の研究を進めています．さらに，各研究事例で得られた基礎的な物理データを 1D-CAE へ落とし込むための物理モデリング（1DCAE）や，3次元の物理現象を集中定数系へ単純化するためのモデリング（MOR：Model-Order Reduction）についても研究しています．
(References)
– 福江高志, 石塚勝, 山﨑健太, 畠山友行, 中川慎二, 中山恒, “局部的な強制対流冷却を有する薄型筺体内流体解析への熱流体抵抗網法の適用”, Thermal Science and Engineering, 19-3 (2011), 81-93, available from https://www.jstage.jst.go.jp/article/tse/19/3/19_3_81/_pdf/-char/ja
– 福江高志, “ファン空冷電子機器の簡易高精度熱設計手法”, 日本機械学会熱工学部門ニュースレター, 第72号 (2014), available from https://www.jsme.or.jp/ted/NL72/TED-Plaza_Fukue.html
– 福江高志, “熱流体抵抗網から考える熱流体設計のプラントモデリングとモデルベース開発”, システム/制御/情報, 67-8 (2023), 331-336, available from https://www.jstage.jst.go.jp/article/isciesci/67/8/67_331/_pdf/-char/ja
– 福江高志, 寺尾博年, “価値の創出に向けMBDに期待したいこと – サーマル印刷の熱回路網法を例に -“, 日本画像学会誌, 64-2 (2025), 193-199, available from https://doi.org/10.11370/isj.64.193
– 福江高志, “オープンCAEと Heat Think PBL”, 設計工学, 53-3 (2018), 220-226.