Kobayashi, Hiromichi

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Affiliation

Faculty of Law (Hiyoshi)

Position

Professor

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Message from the Faculty Member 【 Display / hide 】

  • 「物理学」のシラバス： 　皆さんは身の回りで起こっている現象の裏に潜む物理法則に興味はないでしょうか？例えば、昼間の空は青いが、夕暮れには空が赤くなるなるのはなぜでしょう。これは、光の散乱に関する法則から説明されます。飛行機が飛ぶのはなぜか。これは、カーブボールが曲がるのと同じ物理法則で説明できる。電子レンジを使うと冷めた料理が温められるのはなぜか。これは、テレビやラジオさらには携帯電話などで使われている電磁波が関係している。 　このように講義では、身の回りの物理現象を取り上げ、その現象はどのような物理法則に支配されているかを明らかにしていく。自然現象に潜む物理法則を見つけ出し、その法則を科学技術に応用してきた偉大な科学者たちの功績を理解し、身の回りの現象に「なぜ」と疑問を持って、そこにはどのような法則が働いているのかという物理的な考え方を講義および実験から学んでいただきたい。 　本授業では、講義と実験を隔週で行い、それぞれ出席点とレポートにより評価をする。実験は、物理学教室編集のテキストに従って、毎回異なるテーマについて行う。実験定員は６０名。

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Profile Summary 【 Display / hide 】

  • Studies on turbulence, plasma flows and combustion such as Large Eddy Simulation, MHD(Magnetohydrodynamics) Power Generation and High-temperature Air Combustion by using numerical simulations

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Career 【 Display / hide 】

  • 1998.04
    -
    1999.03

    Researcher, Japan Science and Technology Corporation

  • 1999.04
    -
    2003.03

    Assistant Professor, Keio University

  • 2003.04
    -
    2009.03

    Associate Professor, Keio Univeristy

  • 2005.03
    -
    2007.03

    Senior Visiting Fellow at Center for Turbulence Research, Stanford University

  • 2009.04
    -
    Present

    Professor, Keio University

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Academic Background 【 Display / hide 】

  • 1994.03

    Tokyo Institute of Technology, Department of Applied Physics

    University, Graduated

  • 1996.03

    Tokyo Institute of Technology, Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering, Department of Energy Sciences

    Graduate School, Completed, Master's course

  • 1998.03

    Tokyo Institute of Technology, Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering, Department of Energy Sciences

    Graduate School, Completed, Doctoral course

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Academic Degrees 【 Display / hide 】

  • Doctor of Engineering, Tokyo Institute of Technology, Coursework, 1998.03

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Research Areas 【 Display / hide 】

  • Manufacturing Technology (Mechanical Engineering, Electrical and Electronic Engineering, Chemical Engineering) / Fluid engineering (Fluid Engineering)

  • Natural Science / Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics (Mathematical Physics)

  • Energy Engineering / Fundamental plasma (Plasma Science and Technology)

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Research Themes 【 Display / hide 】

  • The Performances of Various Models in Large Eddy Simulation, 

    1999
    -
    2010

  • Magnetohydrodynamics (MHD) Power Generation Using Frozen Inert-gas Plasma (FIP), 

    1998
    -
    2010

  • Study on High-Temperature Air Combustion, 

    1998
    -
    2010

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Books 【 Display / hide 】

  • 環境学入門 法学・経済学・自然科学から学ぶ

    青木淳一、一ノ瀬大輔、小林宏充、小島恵、山本雅資、秋山豊子、土居志織、林健太郎、山崎友莉子、林良信、糟谷大河、坂上紳、宮本佳明、清家裕, 慶應出版会, 2024.06,  Page： 208

  • 電磁界応答流体によるエネルギー・環境技術の新展開

    KOBAYASHI HIROMICHI, 電気学会, 2022.08

  • 環境負荷の低減を目指したMHD発電技術と応用

    KOBAYASHI HIROMICHI, 電気学会, 2020.05

    Scope: 33-36

  • 法学・経済学・自然科学から考える環境問題

    Junichi Aoki, Toyoko Akiyama, Tetsu Ohira, Nobuhiro Kanaya, Hiromichi Kobayashi, Norihiko Sugimoto, Akira Rokusha, 慶應義塾大学出版会, 2017.08

  • 高効率MHD発電とその応用

    KOBAYASHI HIROMICHI, 電気学会, 2017.05

    Scope: 18-22

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Papers 【 Display / hide 】

  • Highly Reproducible Synthesis of Hollow Zirconia Particles via Atmospheric-Pressure Plasma Processing with Inkjet Droplets

    Nitta K., Sakai T., Muneoka H., Shimizu Y., Kobayashi H., Terashima K., Ito T.

    Plasma Chemistry and Plasma Processing (Plasma Chemistry and Plasma Processing)  44 ( 1 ) 289 - 303 2024.01

    ISSN  02724324

    　View Summary

    Hollow particles have attracted considerable attention owing to their unique properties. In this study, hollow monoclinic zirconia particles were directly synthesized from inkjet droplets of a zirconyl hydroxychloride aqueous solution via atmospheric-pressure plasma processing. Hollow structures with craggy surfaces were obtained in the plasma at gas temperatures above 1000 K. The steep solvent evaporation rate induced by the localized high-energy reaction field of the atmospheric-pressure plasma may have induced solute condensation near the droplet surface and contributed to the formation of hollow particles. The average diameter of the synthesized particles was ~ 3 μm, while their size distribution was narrow (coefficient of variation: 0.06–0.10). The high reproducibility of the synthesized particles was attributed to the small variations in inkjet droplet size. The proposed method enables the rapid synthesis of hollow particles of various inorganic materials, while controlling their number and composition.

  • Imaging quantized vortex rings in superfluid helium to evaluate quantum dissipation

    Tang Y., Guo W., Kobayashi H., Yui S., Tsubota M., Kanai T.

    Nature Communications (Nature Communications)  14 ( 1 )  2023.12

    　View Summary

    The motion of quantized vortices is responsible for many intriguing phenomena in diverse quantum-fluid systems. Having a theoretical model to reliably predict the vortex motion therefore promises a broad significance. But a grand challenge in developing such a model is to evaluate the dissipative force caused by thermal quasiparticles in the quantum fluids scattering off the vortex cores. Various models have been proposed, but it remains unclear which model describes reality due to the lack of comparative experimental data. Here we report a visualization study of quantized vortex rings propagating in superfluid helium. By examining how the vortex rings spontaneously decay, we provide decisive data to identify the model that best reproduces observations. This study helps to eliminate ambiguities about the dissipative force acting on vortices, which could have implications for research in various quantum-fluid systems that also involve similar forces, such as superfluid neutron stars and gravity-mapped holographic superfluids.

  • Analysis of anisotropic subgrid-scale stress for coarse large-eddy simulation

    Inagaki K., Kobayashi H.

    Physical Review Fluids (Physical Review Fluids)  8 ( 10 )  2023.10

    　View Summary

    This study discusses the necessity of anisotropic subgrid-scale (SGS) stress in large-eddy simulations (LESs) of turbulent shear flows using a coarse grid resolution. We decompose the SGS stress into two parts to observe the role of SGS stress in turbulent shear flows in addition to the energy transfer between grid-scale (GS or resolved scale) and SGS. One is the isotropic eddy-viscosity term, which contributes to energy transfer, and the other is the residual anisotropic term, which is separated from the energy transfer. We investigate the budget equation for GS Reynolds stress in turbulent channel flows accompanied by the SGS stress decomposition. In addition, we examine the medium and coarse filter length cases; the conventional eddy-viscosity models can fairly predict the mean velocity profile for the medium filter case and fails for the coarse filter case. The budget for GS turbulent kinetic energy shows that the anisotropic SGS stress has a negligible contribution to energy transfer. In contrast, the anisotropic stress has a large and nondissipative contribution to the streamwise and spanwise components of GS Reynolds stress when the filter size is large. Even for the medium-size filter case, the anisotropic stress contributes positively to the budget for the spanwise GS Reynolds stress. Spectral analysis of the budget reveals that the positive contribution is prominent at a scale consistent with the spacing of streaks in the near-wall region. Therefore, we infer that anisotropic stress contributes to the generation mechanism of coherent structures. Predicting the positive contribution of the anisotropic stress to the budget is key to further improving SGS models.

  • Experimental and theoretical analyses on power generation characteristics of co-axial MHD energy conversion device

    Hasebe T., Sasaki R., Fujino T., Takana H., Kobayashi H.

    Electrical Engineering in Japan (English translation of Denki Gakkai Ronbunshi) (Electrical Engineering in Japan (English translation of Denki Gakkai Ronbunshi))  216 ( 3 )  2023.09

    ISSN  04247760

    　View Summary

    Experiments on power generation were conducted under the open-circuit condition to validate theoretical analyses on the power generation characteristics of a co-axial MHD energy conversion device. Considering distribution of externally applied magnetic field and the electromotive force induced by the rotation of the conductive inner cylinder, the results show that the experimental open-circuit voltage was lower than the theoretical one for the wide channel width, whereas the experimental open-circuit voltage was higher than the theoretical one for the narrow channel width. The inclination of the inner cylinder might cause the decrease in effective radial ratio.

  • Evaporation behavior of liquid microdroplets in atmospheric-pressure nonequilibrium plasma

    Nitta K., Muneoka H., Shimizu Y., Kobayashi H., Terashima K., Ito T.

    Plasma Sources Science and Technology (Plasma Sources Science and Technology)  32 ( 5 )  2023.05

    ISSN  09630252

    　View Summary

    In recent years, atmospheric-pressure nonequilibrium plasma processing using microdroplets has attracted significant attention. To improve the controllability of this process, an understanding of the evaporation behavior of droplets in plasma is highly desirable. In this study, we examine the evaporation behavior of well-controlled inkjet droplets in atmospheric-pressure nonequilibrium argon plasma through both experiments and modeling. A comparison of the droplet evaporation model based on energy balance considering gas temperature, electron and ion collisions, and recombination reactions with experimental evaporation behavior suggests that droplet evaporation is enhanced in high-density plasma environments with electron and ion densities exceeding 1019 m−3 when compared with that in non-ionized gaseous environments at a gas temperature below 1000 K.

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Papers, etc., Registered in KOARA 【 Display / hide 】

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Reviews, Commentaries, etc. 【 Display / hide 】

  • 乱流モデルの学び方

    小林宏充

    日本流体力学会誌ながれ 40 ( 3 ) 236 - 236 2021.06

    Article, review, commentary, editorial, etc. (scientific journal), Single Work

  • 超流動ヘリウムのゆらぎをランダウの2流体モデルで描像する-量子流体力学の最新理論

    小林宏充、湯井悟志、坪田誠

    academist Journal  2020

    Article, review, commentary, editorial, etc. (trade magazine, newspaper, online media), Joint Work

  • 量子乱流状態における超流動の2流体模型ー量子渦と熱励起成分の相互作用が引き起こす奇妙な現象

    湯井悟志、小林宏充、坪田誠

    日本物理学会誌 76 ( 1 ) 28 - 33 2020

    Article, review, commentary, editorial, etc. (scientific journal), Joint Work

  • サブグリッドスケール乱流モデルにおける生成散逸非平衡効果の検討

    稲垣和寛，小林宏充

    日本流体力学会誌ながれ，[特集] 注目研究 in 年会2019 38 ( 6 ) 403 - 406 2019.12

    Article, review, commentary, editorial, etc. (scientific journal), Joint Work

  • 細分化格子LBMの複数GPU計算に基づく自転車の集団走行の空力計算

    長谷川雄太，青木尊之，小林宏充，白﨑啓太

    日本流体力学会誌ながれ ，[特集] 注目研究 in CFD32 38 ( 2 ) 97 - 100 2019.02

    Article, review, commentary, editorial, etc. (scientific journal), Joint Work

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Presentations 【 Display / hide 】

  • Polarized filaments and decay of quantum turbulence coupled with normal-fluidturbulence in superfluid helium-4

    Satoshi Yui, Hiromichi Kobayashi, Makoto Tsubota, Tomokazu Saito, Rio Yokota

    The 2024 International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2024) (ジャクソンビ) , 

    2024.07
    , 

    Poster presentation

  • Quantum Turbulence Generated by Normal-Fluid Wall Turbulence in Co-flow of Superfluid 4He

    Yudai Yabuuchi, Satoshi Yui, Hiromichi Kobayashi, Makoto Tsubota

    The 2024 International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2024) (ジャクソンビル) , 

    2024.07
    , 

    Poster presentation

  • Interaction between quantum turbulence and normal-fluid turbulence in superfluid helium

    Hiromichi Kobayashi, Satoshi Yui, Makoto Tsubota, Tomokazu Saito, Rio Yokota

    Thirteenth International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP13) (Montréal,) , 

    2024.06

  • LES of MHD Taylor-Couette flow for control of wind turbines

    Hiromichi Kobayashi, Takahiro Hasebe, Takayasu Fujino, Hidemasa Takana

    9th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS) (Lisboa) , 

    2024.06
    , 

    Oral presentation (general)

  • Statistical properties of supersaturation fluctuations in isotropic turbulence studied by LES.

    Hiromichi Kobayashi, Toshiyuki Gotoh

    5th International Workshop on Cloud Turbulence (名古屋) , 

    2024.03
    , 

    Oral presentation (general)

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Research Projects of Competitive Funds, etc. 【 Display / hide 】

  • Functional improvement of mixing promotion in fluid equipment by elucidating the universal statistical law of two-phase turbulence

    2022.04
    -
    2026.03

    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hiromichi Kobayashi, Rio Yokota, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Research grant, Principal investigator

    　View Summary

    超流動ヘリウム冷却機器や分散相である微粒子・噴霧を含む流体機器の性能向上には、分散相による流体の乱流化や分散相自体も乱流となる2相乱流現象のより厳密な解明が不可欠である。最近の超流動ヘリウムダクト流実験では、分散相に相当する粘性ゼロの量子渦と粘性をもつ常流体の2相流乱流強度が通常の20倍になるなど、工学的応用価値を秘めた全く新たな知見が報告されているが、それらの物理現象は未解明である。本研究では、超流体・常流体間の相互摩擦力を介して2相を結合する独自手法により、2相乱流のエネルギー輸送など普遍統計法則を明確にし、2相乱流を有する流体機器の革新的な混合促進機能の向上に資するものとする。

  • 低環境負荷シードフリー高効率ＭＨＤ発電の高性能化実証研究

    2020.04
    -
    2025.03

    Tokyo Institute of Technology, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Coinvestigator(s)

    　View Summary

    多様な熱源に適応する高効率クローズドサイクルＭＨＤ（電磁流体力学）発電の実用化研究において，研究代表者は，「シード」（作動気体への金属蒸気の微量添加）のフリー化というブレークスルーを世界で初めて展開するに至っている。本研究は，低環境負荷シードフリー高効率ＭＨＤ発電の実用化を見据えた高性能化実証を一気に進め，その開発ロードマップを確固たるものにすることを目的とし，既存技術にはないＭＨＤ発電の特徴を生かしたエネルギーシステムの構築を通して社会貢献に資するものとする。

  • Study on cloud turbulent mixing and cloud microphysical processes by large scale numerical simulation

    2020.04
    -
    2025.03

    Nagoya Institute of Technology, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Coinvestigator(s)

    　View Summary

    雲中の乱流による乾燥・湿潤空気及び熱の混合と揺らぎの統計法則，エアロゾル輸送と雲粒子の生成・成長から雨粒子形成，雲粒子による乱流変調など雲マイクロ物理過程の全貌をサブμmから数mm，数mmから数mにわたる大規模シミュレーションを駆使して統一的な視点から解明する.

  • 量子乱流と常流体乱流の結合計算による2流体乱流の特性解明

    2018.04
    -
    2021.03

    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hiromichi Kobayashi, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Research grant, Principal investigator

    　View Summary

    極低温の液体ヘリウムは、粘性ゼロの超流体と粘性を持つ常流体が混合した2流体状態にある。その液体ヘリウムで満たされた矩形ダクトの一方をヒーターで熱すると常流体は低温側に、超流体は高温側に移動する。流速が増加すると、超流体中の量子渦が毛玉のようになる量子乱流となり、常流体と相互作用して超流体が流れにくくなる。2015年に米国で行われた実験で、量子渦に次いで、常流体の速度分布の可視化が可能になった。その結果、流速が増加するにつれて常流体は放物形から平坦化した流れ、次いで乱流になることがわかった。そこで、今年度は下記について研究を行った。
    流れに乗って渦点が動いていく渦糸計算で解析される量子乱流と固定した計算格子において流れの変形を解析する常流体といった異なる計算系の現象を解析するため、相互摩擦力を介した2流体カップリング計算の実装に成功した。その結果、流速が増加して、渦糸密度が増加すると、相互摩擦力が強くなり、常流体は平坦化した速度分布になることがわかった。その後は、圧力勾配と相互摩擦力が釣り合い、放物形分布に戻ることも明らかになった。この成果は、物理系で著名な雑誌Physical Review Lettersに掲載された。
    また、相互摩擦力が存在する実験下では、矩形ダクト入口から一様な分布で流入した常流体が放物形の定常流れになるまでの助走距離が、短くなることが知られている。そこで、超流体も常流体と同じくNavier-Stokes方程式で扱えるように粗視化した方程式により、超流体が相互摩擦力によって変形した状態で常流体の入口へ向かって流れてくるために、一様な分布で流入する常流体は相互摩擦力によって早期に変形を受けることで、助走区間が短くなることがわかった。また超流体の移流項から予見される超流体の乱流粘性を渦粘性として近似することで、管壁の流速分布が平坦化する現象の再現に成功した。
    計算の取り合い方の異なる超流体と常流体の2流体結合計算に成功し、1流体のみの変形を扱ってきたこれまでの計算では再現できない現象を再現ならびに解明できたから。
    今後は、本研究手法を発展させ、実験では情報が少なく解明できない様々な特異現象を、計算によって解明していく。まずは、量子乱流がさらに高濃度になる場合にも高速に計算ができるようにする。これによって、さらに強い相互摩擦力下での2流体結合計算が可能となり、常流体の非等方な速度変動など、相互摩擦力の局所的な変動について詳細な検討が可能となる。また、常流体も乱流状態で計算できるようにモデル化も含めて平行して検討を進める。

  • 乱流中のスケール間エネルギー輸送の解析的評価

    2014.04
    -
    2017.03

    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hiromichi Kobayashi, Research grant, Principal investigator

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Works 【 Display / hide 】

  • FD(Faculty Development)WORKSHOP第1回/双方向授業を目指して－携帯電話によるアンケート・小テストの実施－

    KOBAYASHI HIROMICHI

    慶應義塾大学日吉キャンパス来往舎, 

    2004.10
    -
    Present
    , 

    Other, Joint

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Awards 【 Display / hide 】

  • HPCS 2013（ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム）最優秀論文賞

    Naoyuki Onodera, Takayuki Aoki, Takashi Shimokawabe, Hiromichi Kobayashi, 2013.01, 格子ボルツマン法による1m格子を用いた都市部10km四方の大規模LES気流シミュレーション

    Type of Award： Award from Japanese society, conference, symposium, etc.

  • 京コンピュータ・シンポジウム2012最優秀ポスター

    Xian Wang, Satori Tsuzuki, Takayuki Aoki, Hiromichi Kobayashi, Naoyuki Onodera, Tatsuji Miyashita, 2012.06

    Type of Award： Award from Japanese society, conference, symposium, etc.

  • Award for Distinguished Young Researcher in Fluid Mechanics of 2009, The Japan Society of Fluid Mechanics

    KOBAYASHI HIROMICHI, 2010.02, 日本流体力学会, Development of subgrid scale model based on turbulence structures

    Type of Award： Award from Japanese society, conference, symposium, etc.

    　View Description

    The award is based on the following three achievements: (1) H. Kobayashi: "The subgrid-scale models based on coherent structures for rotating homogeneous turbulence and turbulent channel flow," Physics of Fluids, Vol. 17, 045104 (2005), (2) H. Kobayashi, F. Ham and X. Wu: "Application of a local SGS model based on coherent structures to complex geometries," International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 29, pp.640 - 653 (2008), and (3) H. Kobayashi: "Large eddy simulation of magnetohydrodynamic turbulent duct flows," Physics of Fluids, Vol.20, 015102 (2008).

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Courses Taught 【 Display / hide 】

  • SEMINAR IN NATURAL SCIENCE 4

    2024

  • SEMINAR IN NATURAL SCIENCE 3

    2024

  • PHYSICS 2

    2024

  • PHYSICS 1

    2024

  • SEMINAR IN NATURAL SCIENCE 4

    2023

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Academic Activities 【 Display / hide 】

  • はままつ産業創造センター

    2007.12
    -
    2008.07

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Memberships in Academic Societies 【 Display / hide 】

  • American Physical Society, 

    2008
    -
    Present

  • The Japan Society of Fluid Mechanics, 

    2004
    -
    Present

  • The Japan Society of Mechanical Engineers, 

    1999
    -
    Present

  • The Physical Society of Japan, 

    1999
    -
    Present

  • The Institute of Electrical Engineers of Japan, 

    1997
    -
    Present
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Committee Experiences 【 Display / hide 】

  • 2022.04
    -
    Present

    代議員, 日本流体力学会

  • 2022.04
    -
    2023.03

    実行委員, 第36回 数値流体力学会

  • 2021.08
    -
    Present

    Advisory Committee Member, Paper review subcommittee, 12th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP-11), Southampton 2019

  • 2021.04
    -
    Present

    理論応用力学分科会・IUTAM国際連携小委員会 委員, 第25期日本学術会議

  • 2020.04
    -
    2022.03

    代議員, 日本流体力学会

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