Study of non-similarity in multiphase turbulent transport on the basis of unified averaging equations

• Project/Area Number: 19H02066
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 梶島 岳夫 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 招へい教授 (30185772)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹内 伸太郎 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (50372628)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2019: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: 流体工学 / 混相流 / 乱流 / 粒子 / 数値シミュレーション

Outline of Research at the Start

流体の中に多数の固体粒子が分散した流れは工業装置や自然界あるいは生体内に幅広く観察され、ほとんどは乱流の状態にある。これを分散性混相乱流という。この流動を統一的に扱う数値シミュレーション手法が確立されれば、現象の解明にとどまらず、優れた輸送機能を有する媒体の開発、装置の設計、現象の制御にも強力な手段となる。本研究は、分散粒子と乱流に対してそれぞれ発展してきた理論的な扱い（数理モデル）を統合できる体積平均方程式系を確立し、例えば（流体だけでは相反する）抵抗低減と伝熱促進を両立させる混相乱流輸送現象を新規に見出し、そのメカニズムを解明することにより、提案する手法の有用性を検証する試みである。

Outline of Annual Research Achievements

混相および乱れに対して明示的に定義された共通の空間フィルターで粗視化し、適切な相互作用力モデルおよびサブグリッドスケールモデルを適用することにより、二相乱流伝熱場のための整合性のある統合平均方程式の構築を目標とした。適用例としては、粒子混相流における熱と運動量の非相似輸送の探索を想定した。そのために不可欠な要素として、高濃度粒子群を扱うための潤滑理論の拡張ならびに埋め込み法の開発を行った。成果は以下のとおりである：
(1) 直接数値計算（DNS）によるデータベースを構築するため、単相乱流のDNSプログラムに対して、有限サイズを考慮した固体粒子モデル・伝熱モデルを必要に応じた改良を加えて組み込みつつ、固液二相乱流伝熱の数値シミュレーションを諸条件で実行してデータを蓄積した。
(2) 固体粒子間の狭隘流路におけるスクイズ流れの影響が大きくなることから、潤滑が支配的な流れ場に適用できる手法の開発に注力した。独自に拡張した潤滑方程式の速度と圧力の解析解を直接埋め込む方法を開発し、詳細解析結果との比較により検証を行った。さらに、有限サイズの粒子間の輻射伝熱も考慮した解析手法など、調査するパラメーターの拡大を見越した多機能化に取り組んだ。
(3) 混相乱流の統一的な平均化方程式の構築に向け、粒子の表面応力の非等方性を考慮して導出した粒子-流体の相互作用モデルに基づき、乱流のサブグリッドスケール（SGS）モデルに関する提言を学会誌に連載寄稿している。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 流れの数値シミュレーション 2. 平均操作と乱流モデル (2024)
  • Author(s): 梶島岳夫
  • Journal Title: ながれ Volume: 43 Pages: 33-40
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Higher order lubrication model between slip walls (2023)
  • Author(s): Takeuchi Shintaro、Omori Takeshi、Fujii Takehiro、Kajishima Takeo
  • Journal Title: Microfluidics and Nanofluidics Volume: 27 Issue: 7
  • DOI: 10.1007/s10404-023-02644-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 流れの数値シミュレーション 1. 保存則の計算 (2023)
  • Author(s): 梶島岳夫
  • Journal Title: ながれ Volume: 42 Pages: 330-337
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Particle subgrid stress models for large Stokes numbers in particle-laden turbulence (2022)
  • Author(s): Toshiaki Fukada, Shintaro Takeuchi, Kajishima Takeo
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 946
  • DOI: 10.1017/jfm.2022.593
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Lubrication pressure model in a non-negligible gap for fluid permeation through a membrane with finite permeability (2021)
  • Author(s): Takeuchi Shintaro、Fukada Toshiaki、Yamada Shuji、Miyauchi Suguru、Kajishima Takeo
  • Journal Title: Physical Review Fluids Volume: 6 Issue: 11 Pages: 114101-114101
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.6.114101
  • NAID: 120007168688
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of lubrication in the non-Reynolds regime due to the non-negligible gap on the fluid permeation through a membrane (2021)
  • Author(s): Takeuchi Shintaro、Miyauchi Suguru、Yamada Shuji、Tazaki Asahi、Zhang Lucy T、Onishi Ryo、Kajishima Takeo
  • Journal Title: Fluid Dynamics Research Volume: 53 Issue: 3 Pages: 035501-035501
  • DOI: 10.1088/1873-7005/abf3b4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anisotropic Reaction Force Model in Two-way Coupling Simulation for a Smaller Particle Than Grid Spacing Based on Volume Averaging (2020)
  • Author(s): Fukada Toshiaki、Takeuchi Shintaro、Kajishima Takeo
  • Journal Title: Flow, Turbulence and Combustion Volume: 105 Issue: 4 Pages: 1017-1034
  • DOI: 10.1007/s10494-020-00142-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flow reversals in particle-dispersed natural convection in a two-dimensional enclosed square domain (2019)
  • Author(s): Takeuchi Shintaro、Miyamori Yuri、Gu Jingchen、Kajishima Takeo
  • Journal Title: Physical Review Fluids Volume: 4 Issue: 8 Pages: 084304-084304
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.4.084304
  • NAID: 120006775312
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Immersed boundary/solid method for the numerical simulation of particle-laden flows (2019)
  • Author(s): Takeo Kajishima
  • Journal Title: Fluid Dynamics Research Volume: 51 Issue: 5 Pages: 051401-051401
  • DOI: 10.1088/1873-7005/ab27e7
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Numerical method for inter-particle flow with immersed pressure solution of lubrication (2023)
  • Author(s): Shuntaro Houri
  • Organizer: ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Heat transfer in particle-laden flow considering temperature gradient within the particles and radiative heat transfer (2023)
  • Author(s): Kento Hashimoto
  • Organizer: ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical method for capturing interaction forces between fluids and solid objects with immersed pressure solution of lubrication (2023)
  • Author(s): Shuntaro Houri
  • Organizer: 10th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Heat transfer in natural convection with conductive particles considering radiative heat transfer (2023)
  • Author(s): Kento Hashimoto
  • Organizer: 10th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 二相乱流のLarge-Eddy Simulationに向けて (2022)
  • Author(s): 梶島岳夫
  • Organizer: 日本機械学会 第100期流体工学部門講演会
  • Invited
• [Presentation] 二次元正方形キャビティ内の熱伝導性固体粒子を含む自然対流における輻射伝熱の影響 (2022)
  • Author(s): 橋本健人
  • Organizer: 第36回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 界面垂直方向圧力分布を考慮した潤滑モデルを埋め込む粒子流れ解法 (2022)
  • Author(s): 祝峻太郎
  • Organizer: 第36回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 乱流のLarge Eddy Simulationの課題 (2020)
  • Author(s): 梶島岳夫
  • Organizer: 日本機械学会年会2020
  • Invited
• [Presentation] 埋め込み境界法を用いた潤滑が支配的な流れ場における膜透過流束の解析 (2020)
  • Author(s): 山田修司
  • Organizer: 第34回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] A new immersed stress method based on volume average (2019)
  • Author(s): Toshiaki Fukada, Shintaro Takeuchi, Takeo Kajishima
  • Organizer: ASME-JSME-KSME 2019 Joint Fluids Engineering Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LES of Complex Turbulent Flows (2019)
  • Author(s): Takeo Kajishima
  • Organizer: Urban Big Data & Simulation Forum 2019
• [Presentation] Discussion of subgrid scale models for the large eddy simulation with highly non-uniform grid (2019)
  • Author(s): Takeo Kajishima, Hui Tang, Firdaus Mohamad, Kie Okabayashi
  • Organizer: Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
  • Int'l Joint Research / Invited