| Project/Area Number |
20J21930
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
辻村 光樹 早稲田大学, 基幹理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 液体微粒化 / 粒子・格子ハイブリッド法 / MPS法 / 空気力モデル / 表面張力モデル / STPモデル / 粒子法 / 数値流体力学 / 気液二相流 |
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| Outline of Research at the Start |
液体燃料の微粒化は，航空エンジンの性能向上に直結する現象であり，数値解析による挙動予測は重要な課題である．微粒化は，流れ場全体に対して微小な液滴が生じるマルチスケール問題であり，精度や解像度と計算コストはトレードオフの関係にあるものの，申請者は，格子法と粒子法を組み合わせる（ハイブリッド化）ことで，従来より高解像度または低コストな計算を実現できると考えた．本研究では，気液の力学的相互作用の予測精度を向上させつつ，熱的相互作用として相変化モデルを提案することで，燃料の噴射から蒸発・燃焼までを一貫して解ける手法の実現に向けた要素技術を構築する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、熱機関（エンジン）内の燃料噴射などに応用される液体微粒化を、従来よりも低い計算コストで数値解析する手法として、「粒子・格子ハイブリッド法」を開発する研究である。本手法では、液体の変形・分裂を粒子法（MPS法）で直接解像しながら、気体を格子法（有限体積法）で計算し、液気を「空気力モデル」によって双方向連成する。本年度は、液体微粒化の数値解析をとおし、空気力モデルの改良を図った。また、表面張力モデルを新たに考案した。
本年度はまず、液滴分裂の数値解析に取り組んだ。液滴径と格子幅の大小によって空気力モデルを使い分けること、後述する表面張力モデルを使用することで、液滴の分裂様式 (bag, multimode, sheet-thinning, catastrophic) を、それぞれ対応するウェーバー (We) 数下で再現することに成功した。次に、直交気流中における液体噴流分裂を数値解析した。液体噴流前面の軌道や液滴の空間分布が、幅広い物理条件（液気運動量比、 We 数）下で、実験のそれに定性的に一致した。また、レイリー・テイラー不安定に起因する液柱表面凹凸の波長、液柱の分裂様式を再現できた。
並行して、粒子法による自由表面流れ解析に適する表面張力モデルを考案した。既存モデル（CSF モデル等）では表面粒子に体積力を掛けるが、本モデル（surface tension as pressure: STP モデル）では表面張力の効果を表面粒子における圧力境界条件に与えた。球形液滴内の圧力（ラプラス圧）と楕円形液滴の振動周期の予測精度が、既存モデル使用時よりも向上した。
以上の成果をとおし、粒子・格子ハイブリッド法により、エンジン燃焼器における液体燃料の定性的挙動を予測できる可能性が示された。本手法は将来の製品開発・設計の効率化に貢献しうるものである。
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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