MIYAGAWA, Kazuyoshi

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Affiliation

Faculty of Science and Engineering, School of Fundamental Science and Engineering

Job title

Professor
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Concurrent Post 【 display / non-display 】

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Fundamental Science and Engineering

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Research Institute 【 display / non-display 】

  • 2020
    -
    2022

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

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Education 【 display / non-display 】

  • 2006.09
    -
    2007.08

    Osaka University   Graduate School of Engineering Science   Department of Mechanical Science and Bioengineering Division of Mechanical Engineering  

  • 1983.04
    -
    1985.03

    Waseda University   Graduate School of Science and Engineering   Mechanical Engineering  

  • 1979.04
    -
    1983.03

    Waseda University   School of Science and Engineering   Mechanical engineering  

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Degree 【 display / non-display 】

  • OSAKA University   Doctor of Engineering

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Research Experience 【 display / non-display 】

  • 2020.04
    -
    Now

    Waseda University   Department of Applied Machanics and Aerospace Engineering   Professor   Doctor of Engineering

  • 2012.09
    -
    2020.04

    Waseda University   Department of Applied Mechanics and Aerospace Engineering   Professor   Doctor of Engineering

  • 2011.09
    -
    2012.08

    Waseda University   Department of Applied Mechanics and Aerospace Engineering   Associate Professor   Doctor of Engineering

  • 1985.04
    -
    2011.08

    Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.   Technical Headquaters

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Professional Memberships 【 display / non-display 】

  • 2020.10
    -
    Now

    Japan Wind Energy Association (JWEA)

  • 2018.07
    -
    Now

    ASME

  • 2018.04
    -
    Now

    IAHR

  • 2018.03
    -
    Now

    航空宇宙学会

  • 2016.04
    -
    Now

    GTSJ

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Research Areas 【 display / non-display 】

  • Fluid engineering

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Research Interests 【 display / non-display 】

  • Fluid Machinery, Fluid Engineering, Cavitation, Flow Induced Vibration

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Papers 【 display / non-display 】

  • Investigation on the impeller-diffuser interaction on the unstable flow in a mixed-flow pump using a modified partially averaged Navier-Stokes model

    Weixiang Ye, Chen Geng, Akihiro Ikuta, Shinya Hachinota, Kazuyoshi Miyagawa, Xianwu Luo

    Ocean Engineering   238  2021.10  [Refereed]

    　View Summary

    In this paper, the effect of the impeller-diffuser interaction on the unstable flow in a mixed-flow pump operating under one part-load condition is investigated based on the local energy loss analysis using a modified SST k-ω partially averaged Navier-Stokes (MSST PANS) model. The comparison on the pump performance shows a good agreement between the experiment and simulation. The characteristic curve of the test pump presents a positive slope region, where hydraulic loss increases 90.75% in the impeller and 16.75% in the diffuser. The internal flow analysis depicts that the rotating stall evolution captured in the impeller passages involves larger energy transfer while the separating flow in the diffuser passage involves lower energy transfer. As the impeller blade tailing edge (TE) begins to interact with the diffuser blade leading edge (LE), the vortex attached to the impeller blade TE is cut off into two parts, one of which keeps propagating circumferentially and forms the rotating stall in the impeller, and the other is regarded as the shedding vortex, moving into the diffuser. Further analysis by the Fast Fourier Transform and proper orthogonal decomposition reveals the frequency of rotating stall is 1.49fn, and the frequency of the shedding vortex is 0.53fn.

    DOI

  • Design of experiments applied to francis turbine draft tube to minimize pressure pulsations and energy losses in off-design conditions

    Arthur Favrel, Nak Joong Lee, Tatsuya Irie, Kazuyoshi Miyagawa

    Energies   14 ( 13 )  2021.07  [Refereed]

    Authorship：Last author

    　View Summary

    This paper proposes an original approach to investigate the influence of the geometry of Francis turbines draft tube on pressure fluctuations and energy losses in off-design conditions. It is based on Design of Experiments (DOE) of the draft tube geometry and steady/unsteady Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of the draft tube internal flow. The test case is a Francis turbine unit of specific speed Ns = 120 m-kW which is required to operate continuously in off-design conditions, either with 45% (part-load) or 110% (full-load) of the design flow rate. Nine different draft tube geometries featuring a different set of geometrical parameters are first defined by an orthogonal array-based DOE approach. For each of them, unsteady and steady CFD simulations of the internal flow from guide vane to draft tube outlet are performed at part-load and full-load conditions, respectively. The influence of each geometrical parameter on both the flow instability and resulting pressure pulsations, as well as on energy losses in the draft tube, are investigated by applying an Analysis of Means (ANOM) to the numerical results. The whole methodology enables the identification of a set of geometrical parameters minimizing the pressure fluctuations occurring in part-load conditions as well as the energy losses in both full-load and part-load conditions while maintaining the requested pressure recovery. Finally, the results of the CFD simulations with the final draft tube geometry are compared with the results estimated by the ANOM, which demonstrates that the proposed methodology also enables a rough preliminary estimation of the draft tube losses and pressure fluctuations amplitude.

    DOI

  • Effect of modified draft tube with inclined conical diffuser on flow instabilities in Francis turbine

    Xing Zhou, Changzheng Shi, Kazuyoshi Miyagawa, Hegao Wu

    Renewable Energy   172   606 - 617  2021.07  [Refereed]

    　View Summary

    When a Francis turbine operates over an extended range of regimes far from the best efficiency point, the formation of a helical precessing vortex rope can lead to reduced efficiency, severe pressure fluctuations, and power swings. Because the existence of a vortex rope limits the operating range of the Francis turbine, it is necessary to adopt certain measures to mitigate the occurrence of vortex ropes and the associated pressure fluctuations, to improve the operating flexibility of the turbine. In the present study, a novel method to mitigate vortex ropes was proposed. This method involves using a modified draft tube with an inclined conical diffuser. Under the operating condition of a 16° Guide Vane Opening, four different inclination angles (from 0° to 24.4°) were investigated to determine the optimal inclination angle. Computational fluid dynamics results demonstrated that an inclination angle of 18.8° was the most effective for hindering the development of strong swirling flow and resulted in a decline in the pressure pulsation amplitude. This angle was later used under three other partial load operating points, and the results were compared with those of a traditional draft tube. The modified draft tube with an inclined conical diffuser exhibited satisfactory and stable performance in terms of reducing the flow instabilities within the draft tube. Based on an analysis of the mechanism for alleviation of the vortex rope, it was concluded that the inclined conical diffuser plays an effective role in reducing the swirling flow in the draft tube and thus destroying the development of the vortex rope. As a result, the proposed approach could be adopted to ameliorate the instability issue in Francis turbines.

    DOI

  • Numerical and experimental analysis of pressure fluctuations in the draft-tube of a Francis turbine using the swirl number

    M. H. Khozaei, A. Favrel, T. Masuko, N. Yamaguchi, R. Watanabe, K. Miyagawa

    IOP Conference Series: Earth and Environmental Science   774 ( 1 )  2021.06  [Refereed]

    Authorship：Last author

    　View Summary

    Pressure fluctuations in the draft-tubes of hydraulic turbines are the most dominant issues that may cause damages to a hydraulic power plant. When the frequency of the fluctuations coincides with one natural frequencies of the plant, resonance with high amplitude vibrations and pressure pulsations occurs, dramatically impacting the integrity of the plant. This research focuses on the part-load behaviour of a medium specific-speed Francis turbine (with specific speed 184 m.kW), designed by the authors in the framework of an industrial project. This paper combines the results of model tests with CFD simulation to investigate the part-load behaviour of the turbine. To do so, performance of the turbine is numerically simulated at one operating condition by solving the RANS equations via the commercial code ANSYS CFX 19.0. The k-ω SST turbulence model is used to predict the turbine performance. In addition, model tests are conducted in the range of 20% to 110% guide vane opening. To capture pressure fluctuations in the draft-tube, 12 static pressure sensors are installed in 4 different sections of the draft-tube. The no-swirl and other iso-swirl lines of the draft tube flow are first determined by using CFD results. Furthermore, pressure signals from model tests are analysed by performing cross spectral density analysis. Two transitions in the behaviour of the precessing vortex under part-load conditions occurring at given values of swirl number are observed. Finally, it is observed that linear correlations between the Strouhal number of the vortex rope frequency and the swirl number can be established within the 2nd and 3rd part-load regimes, independently of the values of the speed coefficient.

    DOI

  • Dynamic behaviour of a full-load cavitation vortex in a Francis turbine draft tube excited at its eigenfrequencies

    A. Favrel, E. Vagnoni, J. Gomes Pereira, M. Sakamoto, K. Yamaishi, A. Müller, F. Avellan, K. Miyagawa

    IOP Conference Series: Earth and Environmental Science   774 ( 1 )  2021.06  [Refereed]

    Authorship：Last author

    　View Summary

    The operating range of Francis turbines is limited at full-load conditions by the formation of a cavitation vortex rope that may enter self-oscillations under certain conditions. This induces severe pressure pulsations in the entire system, as well as output power swings putting at risk the integrity of the electro-mechanical components. The understanding of the underlying physical mechanisms and the prediction of the stability of hydropower units at full-load conditions are therefore crucial to ensure a safe extension of their operating range. In the present paper, the dynamic behaviour of a stable cavitation vortex rope at full load is investigated by high-speed visualizations while the test rig is excited at its first and second hydroacoustic eigenfrequencies. It is first demonstrated that the cavitation volume and the pressure in the draft tube are more likely to oscillate at the first eigenfrequency, in agreement with the observations of self-excited oscillations at the first eigenfrequency of the cavitation vortex rope during unstable full-load conditions. In addition, it is observed that the amplitude of both the cavitation volume and pressure fluctuations in the draft tube reach a limit value when the amplitude of the excitation is further increased. Further investigations will determine if this behaviour can be generalized to any full-load conditions and will focus on the determination of the hydro-acoustic parameters of the draft tube cavitation flow based on the behaviour of the vortex rope during forced oscillations.

    DOI

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Books and Other Publications 【 display / non-display 】

  • 流体機械 : 基礎理論から応用まで

    山本, 誠, 太田, 有, 新関, 良樹, 宮川, 和芳

    共立出版  2018.10 ISBN: 9784320082205

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Misc 【 display / non-display 】

  • オープンインペラを有する遠心ポンプのディフューザにおける非定常損失

    杉山大介, 市之瀬飛馬, 武田智貴, 稲葉夢乃, 宮川和芳

    ターボ機械協会講演会(CD-ROM)   83rd  2020

    J-GLOBAL

  • 斜流ポンプ性能に対する前進スキュー角の影響

    生田晃浩, 陳奕寧, 八野田真也, 宮川和芳, 篠塚泰, 富松重行

    ターボ機械協会講演会(CD-ROM)   83rd  2020

    J-GLOBAL

  • デュアルカメラによる楕円形状キャビテーションロープの可視化

    劉志豪, ファブレルアーチャ, 宮川和芳

    ターボ機械協会講演会(CD-ROM)   83rd  2020

    J-GLOBAL

  • 過給機用コンプレッサの脈動流下サージング挙動に関する実験的研究

    淺中祐志, 中村揚平, 榊原將至, 板垣悠太, 宮川和芳

    ターボ機械協会講演会(CD-ROM)   83rd  2020

    J-GLOBAL

  • 〔生産統計〕2019年のターボ機械の動向と主な製作品

    宮川和芳, 宮川和芳, 矢田元治, 下川海, 安斉章, 田中宏明, 作田裕之, 奥野研一, 赤石裕二

    ターボ機械   48 ( 8 )  2020

    J-GLOBAL

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Industrial Property Rights 【 display / non-display 】

  • 流体機械の製造方法

    宮川 和芳, 高橋 航, 入江 達也

    Patent

    J-GLOBAL

  • キャビテーションエロージョン試験方法及び装置

    志賀 元泰, 佐藤 晴美, 奥 達也, 宮川 和芳, 斉藤 純夫

    Patent

    J-GLOBAL

  • ボルテックス形ポンプ用羽根車及びボルテックス形ポンプ

    磯野 美帆, 打田 博, 川井 政人, 宮川 和芳

    Patent

    J-GLOBAL

  • 液体機械

    稲垣 守人, 長谷川 義晃, 岡本 聡, 國分 清, 子安 玲, 宮川 和芳

    Patent

    J-GLOBAL

  • コーン、回転構造体及び流体機械

    特許第5495947号

    前川 真丈, 佐野 岳志, 宮川 和芳, 福田 暢英, 大川 公史, 渡辺 浩美, 岡本 展明, 矢野 博嗣

    Patent

    J-GLOBAL

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Awards 【 display / non-display 】

  • 技術賞

    2021.05   ターボ機械協会   広範囲な流量・落差で運転可能な新形水車の開発

  • 論文賞

    2021.05   ターボ機械協会   ターボチャージャタービンの脈動流下における非定常内部流れと損失メカニズム

  • 技術賞

    2018.05   ターボ機械協会   熱効率50％のガソリンエンジン、ディーゼルエンジンを支える高性能ターボチャージャの開発

  • 技術賞

    2014.05   ターボ機械協会   中小水力発電所向け低コスト、高効率シュラウドレスフランシス水車の開発

  • 論文賞

    2009.05   ターボ機械協会   回転しながら軸方向に振動する円盤と静止円盤の間の半径方向隙間流れの動特性

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Research Projects 【 display / non-display 】

  • 自動車用ターボチャージャの脈動流下における損失発生機構の解明

    基盤研究(C)

    Project Year :

    2019.04
    -
    2022.03
     

    宮川 和芳, 中村 揚平

    　View Summary

    ターボチャージャは、自動車の排気量低減のために近年多用されているが、エンジンの排気脈動流下で運転されるため、非定常的な挙動を示し、定常流下と異なる性能であることが明らかになってきた。特に脈動流下の効率は定常流下に比べ低下することが確認されている。本研究ではターボチャージャのタービン、コンプレッサの脈動流による非定常的な挙動を流動解析および実験により明らかにする。2019年度は、タービン、コンプレッサの脈動流下での挙動を明らかにするために、ターボチャージャ試験装置を用いタービン、コンプレッサのそれぞれの性能を評価した。また非定常流動解析により、実験を補間した。
    タービンは脈動流下で大きな損失を発生し、特に、ホイール、下流ディフューザにおける損失が定常流下と比較して大きいことがわかった。タービンの出口流れは、最高効率点で無旋回に近いフローパーターンとなるように設計されるが、脈動流による体積流量の増減により絶対系において順旋回と逆旋回が交互に現れる。この旋回流れの特徴は流動解析とPIVによる流れの可視化により確認され、脈動流下の旋回流は準定常の同じ体積流量とは全く異なるフローパターンであり、また、増減によるヒステリシスも確認された。
    コンプレッサにおいては、脈動流下での流量、圧力の特性において大きなリサージュが確認され、タービンと同様に効率低下が確認できた。コンプレッサの運転範囲の制限に重要な特性であるサージに関しては、特に有意な知見が得られた。定常流下よりも脈動流下のサージラインは低流量側に移動し、また、その挙動の内特にサージサイクルの周波数は、脈動流の周波数の整数倍もしくは整数で除した値に引き込まれていくことがわかった。定常流下でのサージに関しては、システムの容量系の大きさを変えて、周波数への影響を確認したところ、GreizerのBパラメータで予測が可能であることを確認した。

  • Elucidation of flutter / divergence characteristics of elastic deformation propeller considering cavitation

    Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    Project Year :

    2018.04
    -
    2021.03
     

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Presentations 【 display / non-display 】

  • ギアポンプのキャビテーションエロージョン発生メカニズムと進行速度の予測

    Presentation date： 2009.03

  • 高温流体下でのポンプ吸い込み性能特性

    Presentation date： 2009.03

  • ポンプ水車ドラフトチューブキャビテーションロープのふれ回り挙動予測と抑制手法

    Presentation date： 2009.03

  • 流体機械研究のパラダイムシフトはできるか？

    Presentation date： 2008.05

  • バランスディスク隙間流れの動特性解析

    Presentation date： 2007.10

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Specific Research 【 display / non-display 】

  • 低密度極低温ターボポンプの効率、キャビテーション性能向上に関する最適設計手法の研究

    2011  

    　View Summary

    １．背景　液体水素、LNG等の輸送に使われる極低温用ポンプに関して、今後、ロケット向け再利用型ターボポンプや液体水素供給用ポンプ、環境負荷低減のための高効率LNGポンプなどの開発が予定されている。これらの種類のポンプについては、従来より産業用ポンプの開発研究成果の横通しが実施され実用化されてはいるが、前述の用途ではさらなる効率、信頼性の向上、運用範囲の拡大が求められる。特に、液体密度の小さな液体向けターボポンプに関しては、羽根車の設計形状も流体密度の大きな産業用ポンプ、流体密度の小さな遠心圧縮機の両方の特徴が混在していて、効率、キャビテーション等の流体性能向上のための最適化手法が十分研究されてはいなく、内部流れの精査による性能改善の余地が残っている。本研究では、従来研究提案者が実施してきた遠心羽根車の内部流れ、キャビテーション性能改善の研究成果をベースに特に流体密度の小さな極低温流体用ターボポンプ課題を解明し、今後開発されるポンプの最適設計コンセプトを構築、性能向上に資する。２．研究目的　低密度極低温用ターボポンプの設計点、非設計点での損失発生メカニズムの解明、キャビテーション性能の予測、およびそれらに基づく設計指針の構築３．研究結果３．１　低密度極低温向け（液体水素）ターボポンプの仕様、設計手法のベンチマーク従来の国内外の低密度極低温向けターボポンプとしてLE7、LE5、RL10A、J-2、J-2S、SSME等のロケットエンジン向け液体水素ターボポンプ他の寸法、形状、性能を調査し、設計手法、特徴等をまとめた。ベンチマークの結果、角運動量を決めるインペラ出口角等の最適化は検討の余地があり、以下仕様のJAXA液体水素ターボポンプに関して検討を進めることとなった。検討仕様（ポンプ形式：インデューサ付2段遠心ポンプ、回転数：42000rpm、流量34.3kg/s、比速度140rpm,m,m3/min、入口圧力0.34MPa、出口圧力26.7MPa、入口温度20.7K、インデューサ直径163.8mm、主羽根車直径238mm）ただし、本研究では、上記仕様のうちインペラの３．２　遠心羽根車、ディフューザ形状モデリング手法の構築　一次元性能予測、CFD等の検討に用いることができる三次元羽根車、ディフューザの形状モデリングプログラムを構築。子午面、翼角分布で得た特徴をコントロールすることができるようにパラメータ設定を実施した。３．３　羽根車設計パラメータの変化による内部流れ、損失メカニズム変化の定量的予測　要求仕様に合わせて羽根車を設計し、それらの負荷を変化させることにより羽根車の内部流れ、損失発生メカニズムの定量的変化を把握した。　翼出口角を大きくすることにより高負荷化で下流ディフューザの損失が増加する。性能向上のためのポンプの反動度、負荷分担を明確にした。予測には、一次元損失モデルをベースとしたプログラムを作成し性能評価に用いた。３．４　CFDを用いた羽根車、ディフューザの最適代表寸法、三次元設計形状の検討　汎用CFDコードを用い一次元性能評価結果をベースに設計した羽根車、ディフューザのさらに詳しい内部流れを把握した。また、内部流れの評価により代表寸法の最適化を図った。３．５　低密度極低温流体向けポンプ羽根車、ディフューザの最適設計手法まとめ　圧縮機、水用ポンプ羽根車との比較をベースに、低密度極低温流体用ターボポンプの設計手法をまとめ、最適設計結果のポンプ形状に関しては、効率、キャビテーション性能を設計点、非設計点で予測し、設計データベースとして整理する。また、流体密度に関しての設計手法もまとめる。４．成果　従来の極低温用ポンプは、信頼性の確保を最重要プライオリティとして設計されてきたが、本研究では、低密度流体向け羽根車の流体性能、設計手法を検討し、さらなる効率、キャビテーション性能の向上を検討した。空気機械と水力機械の中有間的特徴を有する低密度流体向けポンプの研究は、流体密度に関して設計手法の横通しを図るものであり、新しいトレードオフの実施方法、形状決定プロセス等が設計指針の他成果として残り、今後の流体機械開発に有用である。

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Syllabus 【 display / non-display 】

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Committee Memberships 【 display / non-display 】

  • 2021.04
    -
    Now

    The Japan Society of Mechanical Engineers  Kanto Bramch Tokyo Block Vice Chair

  • 2021.04
    -
    Now

    The Japan Society of Mechanical Engineers  Fluids Engineerring Division Vice Chair

  • 2020.05
    -
    Now

    Turbomachinery Society of Japan  Vice Chair

  • 2020.04
    -
    2021.03

    The Japan Society of Mechanical Engineers  Fluids Engineerring Division Secretary

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