エネルギー保存性の高い高精度粒子法の開発及び改良型気液二相流モデルの構築

• Project/Area Number: 17J01360
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Hydraulic engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 清水 裕真 京都大学, 工学研究科, 助教
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2019: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: MPS法 / 高精度粒子法 / 気液混相流 / エネルギー保存性 / 数値シミュレーション / 数値波動水槽 / 境界条件

Outline of Annual Research Achievements

研究計画では，砕波のシミュレーションを開発したエネルギー保存性の高い気液二相流モデルにて実施し，封入空気と衝撃波圧に関して計算力学的に検討することを目標としていた．しかしながら研究を進める中で，上記目標の達成のためには，砕波の構造物への衝突に起因する壁面構造体の変形とそれに伴う流体―構造体間でのエネルギー交換の評価が重要であることが確認された．そのため本年では，エネルギー保存性の高い粒子法型構造体モデルならびに高精度粒子法との連成による完全Lagrange型FSIソルバーの構築に取り組んだ．

構造体モデルに関しては，線形運動量・角運動量保存則に対して構成則であるHookeの法則を用い，完全Lagrange型の計算手法であるMPS型の微分演算子モデルを通して離散化するMPSモデルと，超弾性体を対象にひずみエネルギー関数を定義しその空間微分によって運動方程式を記述するHMPS (Hamiltonian MPS)モデルを導入した．高精度MPS法による液相モデルと連成することで完全Lagrange型FSIソルバーを構築し，構造体モデルとFSIソルバーの両者についてエネルギー保存性を含む各種物理量の保存性の検証のための三次元計算を実施した．得られた結果より，HMPSモデルおよびMPS-HMPS FSIソルバーは流体-構造体両面において高いエネルギー保存性と計算安定性，計算精度を持つことが確認された．得られた成果は，欧州の粒子法研究ソサエティーSPHERICの主催するSPHERICワークショップに投稿，発表した．

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A projection-based particle method with optimized particle shifting for multiphase flows with large density ratios and discontinuous density fields (2019)
  • Author(s): Abbas Khayyer, Hitoshi Gotoh, Yuma Shimizu
  • Journal Title: Computers & Fluids Volume: 179 Pages: 356-371
  • DOI: 10.1016/j.compfluid.2018.10.018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An MPS-based particle method for simulation of multiphase flows characterized by high density ratios by incorporation of space potential particle concept (2018)
  • Author(s): Shimizu Yuma、Gotoh Hitoshi、Khayyer Abbas
  • Journal Title: Computers & Mathematics with Applications Volume: 76 Issue: 5 Pages: 1108-1129
  • DOI: 10.1016/j.camwa.2018.06.002
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Development of 3D fully Lagrangian meshfree solvers for hydroelastic fluid-structure interactions (2019)
  • Author(s): Khayyer, A., Gotoh, H., 〇Shimizu, Y.,Nishijima, Y.
  • Organizer: 14th International SPHERIC Workshop（国際学会）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On development of accurate multi-phase particle methods with SPS turbulence modeling for ocean engineering applications (2018)
  • Author(s): Shimizu, Y., Tsuruta, N., Khayyer, A., Gotoh, H.
  • Organizer: International Society of Offshore and Polar Engineers
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two Novel Projection-Based Particle Methods for Multiphase Flows with Large Density Ratios and Discontinuous Density Fields (2017)
  • Author(s): Khayyer, A., Gotoh, H., Shimizu, Y., Teng, K.W.P.
  • Organizer: 12th International SPHERIC Workshop
  • Int'l Joint Research