豊橋技術科学大学

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横山　博史（よこやま　ひろし）

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所属 機械工学系
職名 准教授
専門分野 流体工学，空力音響学，数値流体力学, 熱音響
学位 博士 (工学)（東京大学）
所属学会 日本機械学会, 自動車技術会, 可視化情報学会, 日本流体力学会, AIAA (アメリカ航空宇宙学会)
E-mail h-yokoyama@me
※アドレスの末尾に「.tut.ac.jp」を補完してください
研究室web http://ec.me.tut.ac.jp/
研究者情報（researchmap） 研究者情報

研究紹介

研究概要

低環境負荷な流体機器および輸送機関に向けた研究を行っている．機器の省エネルギー化, 低騒音化に向けた力学現象の解明および流体制御，排熱や騒音エネルギーの有効活用 (エネルギーハーベスト)，効果的なCO2回収技術の構築を目指している．流体, 音, 熱, 電気, 構造振動などが相互に関係するマルチスケールな融合的研究を実験および数値解析から進めている.

略歴

2010年東京大学大学院工学系研究科博士後期課程修了 (キャビティ音の直接計算に関する研究で博士 (工学) 取得). 豊橋技術科学大学助教を経て, 2017年同大学准教授. Southampton大学 (イギリス) に2015-2016年留学. 東京大学リサーチフェロー兼務. 2019年文部科学大臣表彰若手科学者賞受賞.

主な研究テーマ

風洞実験および大規模計算機を利用した数値解析を用い以下の課題に取り組んでいる.
  1. ファン・圧縮機など流体機械や高速輸送機関における高い空力特性や低騒音化を目的とした研究 ．特に流体と音が連成する共鳴現象に着目.
  2. プラズマアクチュエータなどの電気的な流体制御による流体・音響関連機器の高性能化, 発生音・振動の抑制．
  3. 騒音エネルギーにより駆動される熱音響ヒートポンプの開発．排熱を利用した熱音響エンジンに関する研究．
  4. 音波を利用した効果的なCO2回収技術の開発. 得られたCO2を利用可能な藻を生成するバイオリアクターの開発.
  5. 空力音響現象を直接的に高精度に予測可能なプログラム開発．電気, 熱, 構造振動などの現象も解析可能．楽器内部の流れ場・音場の予測にも利用．

キーワード

流体機械, 輸送機関, 省エネルギー, 空力音, CO2回収, エネルギーハーベスト, キャビティ, ファン, プラズマアクチュエータ

主な業績

  1. H. Yokoyama, Y. Omori, M. Kume, M. Nishikawara, H. Yanada, Simulation of thermoacoustic heat pump effects driven by acoustic radiation in a cavity flow, International Journal of Heat and Mass Transfer, 185, 122424, pp.1-17, 2022
  2. H. Yokoyama, K. Otsuka, K. Otake, M. Nishikawara, H. Yanada, Control of Cavity Flow with Acoustic Radiation by an Intermittently Driven Plasma Actuator, Physics of Fluids, 32(10),106104, pp.1-20, 2020
  3. H. Yokoyama, K. Minowa, K. Orito, M. Nishikawara, H. Yanada, Compressible Simulation of Flow and Sound around a Small Axial-Flow Fan with Flow through Casing Slits, Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 142(10), 101215, pp.1-10, 2020
  4. H. Yokoyama, Yuu Hirose, Akiyoshi Iida, "Effective mixing and aeration in a bioreactor with Taylor vortex flow", Mechanical Engineering Letters, 2, 16-00412, pp.1-9, 2016
  5. H.Yokoyama H, A. Miki, H. Onitsuka, A. Iida, "Direct numerical simulation of fluid-acoustic interactions in a recorder with tone holes", Journal of the Acoustical Society of America, 138(2), pp.858-873,2015
  6. H. Yokoyama, K. Kitamiya, A. Iida, "Flows around a cascade of flat plates with acoustic resonance", Physics of Fluids, 25(10), 106104-1-106104-22, 2013
  7. H. Yokoyama, C. Kato, "Fluid-acoustic interactions in self-sustained oscillations in turbulent cavity flows. I. Fluid-dynamic oscillations", Physics of Fluids, 21(10), 105103-1-105103-13, 2009
  8. H. Yokoyama, Y. Tsukamoto, C. Kato, A. Iida, "Self-sustained oscillations with acoustic feedback in flows over a backward-facing step with a small upstream step", Physics of Fluids, 19(10), 106104-1-106104-8, 2007

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解説・著書

  1. 遮音・吸音材料の開発、評価と騒音低減技術, 技術情報協会, 2018年7月
  2. 機械の研究, バイオリアクタ用撹拌器の開発, 養賢堂, 2016年5月
  3. 音響キーワードブック, 流体騒音, コロナ社, 2016年3月
  4. 音響・騒音(7.流体工学,<特集>機械工学年鑑), 日本機械学會誌 117(1149), pp.523-523, 2014年8月

テーマ1：空力音発生機構の解明

概要
平板列まわりの流れにおける音場

　飛行機・高速車両・自動車などの輸送機関では渦の変形などの流れの非定常現象により空力騒音が発生する．特に，高速車両の車両車間部や自動車のサンルーフで問題となるキャビティ音は流体と音が相互に作用しあい発生するフィードバック音であり，こうした音はピーク性の音を有することがあり人にとって不快な音なる．こうした空力騒音の発生機構の解明および低減手法の確立を目指し，風洞実験および流れと音の直接計算を両輪とし，研究を行っている．さらに, 革新的・高機能な流体機器の開発を目指し，プラズマアクチュエータなどを用いた流体および発生音の制御手法について開発を進めている．

主な業績
  1. 横山博史, 宮澤真史, 飯田明由, 折れ部を上流に有する曲面端部まわりの流れにおけるコヒーレンス解析によるフィードバック音発生機構の解明, 自動車技術会論文集, 48 (2), pp.485-490, 2017.【自動車技術会浅原賞学術奨励賞】
  2. 横山博史，篠原大志，中島崇宏，宮澤真史，飯田明由, 層流境界層中におかれた折れ部を上流に有する曲面端部から生じるフィードバック音の直接計算, 日本機械学会論文集, 81(826) 1-15 2015
  3. H. Yokoyama, K. Kitamiya, H. Yamamoto, and A. Iida, "Effects of distance between plates on flows around a cascade of flat plates with acoustic resonance", AIAA-2014-3197, Atlanta, 20th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 2014
  4. H. Yokoyama, K. Kitamiya, and A. Iida, "Flows around a cascade of flat plates with acoustics resonance", Physics of Fluids, 25(10), 106104, 2013.
  5. 横山博史, 飯田明由, "低マッハ数の角柱周りの流れにおける空力音源", 日本機械学会論文集B編,79(799), pp. 344-355, 2013.
  6. H. Yokoyama and A. Iida, "Acoustic Radiation from Flows around a Cascade of Flat Plates", Korea-Japan CFD workshop 2012, Busan, Korea, 2012, 11【invited】
  7. 寺尾啓太郎, 横山博史, 大峠祐介, 飯田明由, "キャビティ音発生機構に基づいた新たな周波数予測式の提案", 日本機械学会論文集B編, 77 (779), pp. 1522-1532 (2011).
  8. H. Yokoyama and C. Kato, "Fluid-Acoustic Interactions in Acoustic Radiation in Turbulent Cavity Flows (Fluid-Dynamic Oscillations)", Journal of Environment and Engineering, 6 (1), (2011).
  9. 横山博史,加藤千幸, "乱流境界層内のキャビティ音発生におけるフィードバック機構（第2報,流体共鳴振動),日本機械学会論文集B編76(765), (2010).
  10. 横山博史, 加藤千幸, "乱流境界層内のキャビティ音発生におけるフィードバック機構（第1報,流体力学的振動),"日本機械学会論文集B編,75(760), pp. 2369-2378 (2009).【日本機械学会論文賞】
  11. H. Yokoyama and C. Kato, "Fluid-acoustic interactions in self-sustained oscillations in turbulent cavity flows. I. Fluid-dynamic oscillations", Physics of Fluids 21, 105103 (2009).【日本機械学会奨励賞】
  12. H. Yokoyama, Y. Tsukamoto, C. Kato and A. Iida, "Self-Sustained Oscillations with Acoustic Feedback in Flow Over a Backward-Facing Step with a Small Upstream Step, Physics of Fluids19, 106104 (2007).
  13. 飯田明由,小久保あゆみ,塚本裕一,本田拓,横山博史,貴島敬，加藤千幸, "ドアミラーから放射される空力・音響フィードバック音の発生条件",日本機械学会論文集B編73(732), 1637-1646(2007).

キーワード

空力騒音， 直接計算， フィードバック音， 風洞実験

テーマ2：流体・音響・振動の連成現象を予測可能な解析コードの開発

概要
楽器から発生する音の可視化

　流体・音響・構造の連成を伴う現象について予測可能な数値解析プログラムを構築している．本手法はリコーダーやリード楽器などの現象解明にも応用されている．楽器の開発において重要となる，楽器形状・材質が発生音に及ぼす影響や，演奏者の吹奏条件が発生音に及ぼす影響について研究を行っている．また，自動車グリルなどに見られる平板列や小型飛翔物体(MAV)において，平板を一定周波数で強制振動させる制御を実施し，発生する揚力や発生音を制御できるとともにことが明らかになってきている．

主な業績
  1. Saya Sato, Hiroshi Yokoyama, Akiyoshi Iida, "Control of Flow around an Oscillating Plate for Lift Enhancement by Plasma Actuators", Applied Sciences, 9(4, applsci-428109) 776-1-776-19, 2019.
  2. Tanaka Y, Yokoyama H, Iida A., "Forced-oscillation control of sound radiated from the flow around a cascade of flat plates", Journal of Sound and Vibration, 431, pp.248-264, 2018
  3. M. Kobayashi, H. Yokoyama, A. Iida, "Direct numerical simulation of flow and acoustic fields around woodwind instruments with reed oscillations", Inter-Noise 2017, Hong Kong, China.
  4. H. Yokoyama, M. Akira, R. Hamasuna, H. Onitsuka, and A. Iida, “Direct aeroacoustic simulations and measurements of flow and acoustic fields around a recorder with tone holes”, The fifth joint ASA/ASJ meeting, 2016. 【invited】
  5. H. Yokoyama, "Direct aeroacoustic simulation related with mode change in a recorder", Proceedings of ECCOMAS, 2016
  6. H. Yokoyama, A. Miki, H. Onitsuka, A. Iida, "Direct numerical simulation of fluid-acoustic interactions in a recorder with tone holes", Journal of the Acoustical Society of America, 138(2) 858-873, 2015
  7. 小林正樹,横山博史, 飯田明由, "音孔を有するリコーダー周りの流体音に関する直接計算", ながれ,33(2),pp. 125-131, 2014
  8. H. Yokoyama, M. Kobayashi, H. Onitsuka, A. Miki, A. iida, "Direct numerical simulation of flow and acoustic fields around an air-reed instrument with tone holes",inter-noise 2014, Melbourne, Australia, (November 17,2014).

キーワード

楽器, 空力音響直接計算, エアリード楽器，リード楽器, Volume penalization, 埋め込み境界法

テーマ3：低環境負荷を目指した流体工学

概要
数値計算によるファンまわりの流れ場の予測

　地球や人間にとってやさしい低環境負荷な機器を実現することを目的とし，ファンなどの流体機械の省エネルギー化および低騒音化，廃熱・音響エネルギーの有効利用，CO2回収技術の構築を目指した研究を行う．

〇溝部（キャビティ）からは流体・音響の不安定性により強い音の発生を伴う自励的な流体振動が発生する場合があり，こうしたキャビティ音の発生機構・発生条件の解明および制御に取り組んでいる．

〇キャビティ音の利用と低減を目的として，キャビティ内部にスタックと呼ばれる多孔体や平板列をおくことでスタック端部間に温度勾配が生じさせる熱音響ヒートポンプを開発している．

〇熱音響機器においては省スペース化のため折れ部を有する共鳴管を用いる場合があるが，折れ部での音響エネルギーの損失を低減することが必要であり，こうした損失の定量的な評価および損失の制御に取り組んでいる．

〇電子機器の冷却に用いられる軸流ファンにおいては，静粛性と高効率の両立を目的としたファンの開発を行い，ファンの設置環境やケーシング形状が性能や発生音に及ぼす影響を明らかにし，設置環境に依らない機器を目指し能動的流体制御も提案している．

〇バイオリアクターなどの培養装置として，局所的せん断応力が低く, 高効率な攪拌機が望まれる．本研究では, 内円筒にフィンを有する回転二重円筒型攪拌機を考案し, 藻の培養実験とともに内部流れの可視化実験・数値計算を実施している.　特にCO2気泡流と藻の培養速度との関係を明らかにする.

主な業績
  1. H. Yokoyama, Y. Omori, M. Kume, M. Nishikawara, H. Yanada, Simulation of thermoacoustic heat pump effects driven by acoustic radiation in a cavity flow, International Journal of Heat and Mass Transfer, 185, 122424, pp.1-17, 2022
  2. H. Yokoyama, K. Otsuka, K. Otake, M. Nishikawara, H. Yanada, Control of Cavity Flow with Acoustic Radiation by an Intermittently Driven Plasma Actuator, Physics of Fluids, 32(10),106104, pp.1-20, 2020
  3. H. Yokoyama, K. Minowa, K. Orito, M. Nishikawara, H. Yanada, Compressible Simulation of Flow and Sound around a Small Axial-Flow Fan with Flow through Casing Slits, Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 142(10), 101215, pp.1-10, 2020
  4. 蓑和克武,横山博史,板垣来翼, 飯田明由, "ケーシングスリットがファン騒音に及ぼす影響についての圧縮性流れ解析による分析", ターボ機械, 47(4), pp.219-226, 2019
  5. 宮本孟宜, 横山博史, 飯田明由,"折れ部を有する曲面の端部から発生するフィードバック音のプラズマアクチュエータを用いた制御", 日本機械学会論文集, 2018 【日本機械学会論文賞】
  6. R. Itagaki, K. Minowa, H. Yokoyama, A. Iida, Effects of slits of casing on aeroacoustic noise radiated from an axial fan, International Congress on Sound and Vibration, 2018.
  7. H. Yokoyama, I. Tanimoto, A. Iida, Experimental Tests and Aeroacoustic Simulations of the Control of Cavity Tone by Plasma Actuators, Appl. Sci. 2017, 7(8), 790, pp.1-15; doi:10.3390/app7080790.(The figures of this paper was on cover page of this issue)Link (open access)
  8. H. Yokoyama, R. Adachi, T. Minato, A. Iida,"Experimental and Numerical Investigations on Control Methods of Cavity Tone by Blowing Jet in an Upstream Boundary Layer", SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 10(3):2017, pp.13-21. doi:10.4271/2017-01-1786.
  9. T. Miyamoto, H. Yokoyama, A. Iida,"Suppression of Aerodynamic Tonal Noise from an Automobile Bonnet Using a Plasma Actuator", SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 10(3):2017, pp.22-30. doi:10.4271/2017-01-1825.
  10. 楠本誠, 横山博史, David ANGLAND，飯田明由, プラズマアクチュエータによる平板列から発生する空力騒音の制御 Control of aerodynamic noise from cascade of flat plates by plasma actuators, 日本機械学会論文集, 83 (847), 16-00364-1-16-00364-16, 2017. DOI:10.1299/transjsme.16-00364. J-STAGE
  11. H. Yokoyama, Y. Hirose, A. Iida，"Effective mixing and aeration in a bioreactor with Taylor vortex flow", Mechanical Engineering Letters, 2(16-00412) 1-9, 2016
  12. 横山博史, バイオリアクタ用撹拌機の開発，機械の研究 68(6) 470-476, 2016
  13. S. Ullah, H. Yokoyama, A. Iida, Design and Fabrication of Two Stage Thermoacoustic Engine to Reduce the Onset Temperature，Proceedings of ECTE2016, 2016
  14. H. Yokoyama, R. Adachi, T. Minato, H. Odawara, H. Morishima and A. Iida, "Control of Cavity Tone by Spanwise Aligned Jets in Upstream Boundary Layer", European Drag Reduction and Flow Control Meeting 2015, (March, 2015)

キーワード

流体機械，空力騒音, 熱音響，ファン，流体制御，バイオリアクター

担当授業科目名(科目コード)

○流体力学 (B11620110)
○機械創造実験 (B11610103)
○数値流体力学 (M21624170)
〇環境工学特論（D31030080）

その他（受賞、学会役員等）

受賞歴

  1. 文部科学省 文部科学大臣表彰　若手科学者賞, 2019/4/17 「高精度直接解析による流れと音の連成現象を伴う空力音の研究」Press (pdf)
  2. 自動車技術会　浅原賞学術奨励賞, 2018/5/24
  3. 日本機械学会賞 （論文), 2012/4/20
  4. 日本機械学会　奨励賞 (研究)　, 2011/4/21「流れと音の直接計算を用いたキャビティ音の発生機構の研究」
  5. 自動車技術会 ベスト・ペーパー賞, 2007/3「ドアミラーから発生する異音周波数の予測」

報道

  1. Selection of cover page on issue of Applied Sciences, August, 2017. Link (open access)
  2. エフエム豊橋「天伯之城 ギカダイ」, "なぜ楽器から音が出るのか？", February 2017 mp3
  3. MONOist, "リコーダー内部の複雑な空気の流れを解析し、新しい楽器デザインへ", November 2015
  4. New Scientist, "See how sound radiates around a recorder", February 2015
  5. EurekAlert!, "Supercomputer simulations explore how an air-reed instrument generates air flow and sound", February 2015
  6. iSGTW (international science grid this week), "Simulating sound with supercomputers could lead to development of easy-to-play musical instruments", March 2015"
  7. The Visualization Society of Japan, "今月のFlash", July 2010

学会活動

  1. 2022- 自動車技術会中部支部幹事
  2. 2019-2021 可視化情報学会 代議員
  3. 2018-2021 流体力学会中部支部運営委員(2021年度幹事)
  4. 2018-2019 日本機械学会東海学生会顧問
  5. 2017-2018 Experimental and Numerical Flow and Heat Transfer Scientific Committee member
  6. 2017 日本機械学会 動力エネルギーシステム部門 動力・エネルギー技術シンポジウム実行委員
  7. 2014-2017 日本機械学会流体工学部門 広報委員
  8. 2012-2015 日本機械学会流体工学部門 運営委員
  9. 2010-2014 可視化情報学会 可視化情報シンポジウム委員
  10. 2010-2011 日本機械学会　東海支部　総会・講演会　運営委員

競争的資金

  1. 文部科学省 科学研究費補助金 基盤研究(C), 熱音響エンジンによる音波を用いた高効率な二酸化炭素回収技術の創生 (Number:21K03874), 2021 - 2023(代表)
  2. 文部科学省 科学研究費補助金 基盤研究(C), 音響学的フィードバック抑制に基づくプラズマアクチュエータによる空力音制御 (Number:17K06153), 2017 - 2020 (代表)
  3. 文部科学省 科学研究費補助金 若手研究(B), 物体運動と連成させた振動平板まわりの空力音の直接計算, 研究期間: 2014年 - 2016年 (代表)
  4. 文部科学省 科学研究費補助金 基盤研究(B), 塗装型高速応答感圧塗料による移動物体周り非定常圧力場計測法の確立, 研究期間: 2013年 - 2015年 (分担)
  5. 文部科学省 科学研究費補助金 若手研究(B), 高精度な空力騒音の数値予測に向けた真の音源の同定, 研究期間: 2012年 - 2013年 (代表)

研究シーズ

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