高周波脈動流中の気液界面から飛散分裂する液滴群の挙動の統計評価とモデリング
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21K03858
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
尾形 陽一 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 准教授 (10323792)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西田 恵哉 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 特任教授 (90156076)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 気液二相流 / 流体不安定性 / 微粒化 / モデリング / 脈動流 / エンジン |
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| Outline of Research at the Start |
自動車エンジン内の吸排気系や原子炉等の管内を流れる，液膜と気流との相互作用で生じる飛散液滴群は液滴のサイズ・質量分布の範囲が幅広く，計算格子サイズより小さい微小粒径群を統計的な評価に基づいて適切にモデル化した液相・気相の相互解析が必要となる．
本研究では基本形状の直管・曲り管における気液界面挙動を，多数の実験結果から時間・空間変動を考慮した評価を行い，時間変動・形状もより複雑な実機エンジンの実用的・高精度シミュレーションの実現を目指した数値モデル構築を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度の研究計画である実機エンジン条件を模擬した，直管と曲り管内の変動気流場における評価，および飛散・分裂の数値モデルの構築とシミュレーションへの応用を行うため，風洞を用いて矩形断面直管内気流変動と壁面近傍の乱流強度計測，および前年度に実施した矩形断面直管内の定常・脈動気流中を流れる薄液膜から生じる飛散液滴の分裂機構・飛散発生条件を基に，曲管を流れる液膜からの液滴飛散・分裂挙動計測を行い，曲り部の気相分布との相関性を調査した．
矩形直管では分裂発生の閾値気相流速を超えると，液膜から空間分布に偏り無く管内で飛散が発生するが，曲管では気相が曲り部に流入直後，局所的に気相が加速される領域で振幅の大きい波も生成され，直管で飛散が生じない流入速度でも高頻度で飛散・分裂が生じる．一方，曲り内側の気相剥離領域および曲り外側では直管の閾値速度より減速される領域が現れ，飛散も生じないことから，気相分布と飛散領域の相関が明らかとなり，流速に空間分布が有る場合も直管の飛散条件が局所的に適用可能であることが分かった．しかし，直管では生じない壁面からの反射波，波同士の干渉の効果も現れ，管の大きい曲り角では顕著になることから，曲り角もしくは曲率半径の組込みが必要と考えられる．また，多数の飛散計測から飛散サイズと分裂時間の統計評価を行い，単一液滴分裂と直管・曲管での液膜飛散分裂の類似・相異を調査した．気相流速の増加に伴い分裂時間は短くなり，単一液滴の流体力学的時間スケールの傾向と整合する一方，分裂が生じる臨界ウェーバー数は液膜の方が大きく，分裂時間は曲り部で直管より短くなる傾向も得られ，基礎データとしてモデル構築に応用出来る．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
エンジン排気系条件を模擬した，曲管内脈動流の詳細な液膜飛散計測を実施予定であったが，挙動計測条件かつ，熱線流速計およびPIVを用いた速度分布計測が不十分であったことと，基礎データとして壁面近傍乱流成分および時間平均速度場と脈動周波数との相関，気相・液相の定常流での相互作用計測を並行して行ったことから，直管・曲管での気流・液膜における飛散分裂の発生機構と統計的評価は見い出すことが出来たが，乱流場における気液二相流計算への適用が未完である．特にマルチコアワークステーションを用いての気液二相流モデル構築・数値解析が遅れている．これらは最終年度での継続課題とせざるを得ない状況であることと，研究成果の対外発表も論文化の段階であることから総合的に，本区分(3)の自己点検・評価をした．
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| Strategy for Future Research Activity |
直管・曲管での気流・液膜挙動おける液滴発生・飛散分裂発生機構・実験データを基に，残課題となっていた発生確率密度の明確化，および計測・画像解析結果を基に，実験での発生条件に整合する数値モデルの確認・検証を最終年度で行う．液相からの飛散・分裂現象の全体像撮影と併せて拡大撮影も行い，管曲率半径に関するディーン数も評価基準に考慮することで汎用的なモデルの確立，および機械学習も用いた画像解析に基づく液滴群の平均粒径・粒径分布などの統計量を抽出・数値シミュレーション（CFD）を進めるが，その為には追加の実験・画像解析も並行して継続が必要である．液滴群CFDモデルの検証および実用化に向けた研究の総括と複数の論文発表を進める．
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
