粒子層内の熱・物質輸送現象に対する微視的シミュレーション手法の高度化と応用

• Project/Area Number: 22K12061
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 60100:Computational science-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 鳥生 大祐 京都大学, 学術情報メディアセンター, 助教 (60772572)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 粒子層 / 熱・物質輸送 / 凍結・融解 / 流体・固体熱連成 / 直交構造格子 / 固液相変化 / 直交格子法 / 数値シミュレーション

Outline of Research at the Start

粒子層内の熱・物質輸送は様々な自然現象や工学的問題で重要となる。本研究では、例えば間隙気体の温度が大きく変化する場合や、固液相変化、粒子の吸水や乾燥等による膨張、収縮を伴う場合など、間隙流体の物性値や間隙の構造が時間、空間的に大きく変化する問題を対象とする。このような問題に対し、間隙スケールの複雑な現象を詳細に解明するために、粒子よりも十分に小さな計算格子を用いた微視的シミュレーション手法を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

実施期間（2022年4月から2023年6月）で得られた主な成果は以下の通りである．
(1)Fractional Step法と音速抑制法を用いた低マッハ数圧縮性流れの数値計算手法：課題代表者らがこれまでに検討してきた計算手法では，計算中に音速を人工的に抑制することで音速に基づくCourant-Friedrichs-Lewy条件を緩和し，流体の圧縮性（密度変化）を考慮しつつ低マッハ数の非等温流れを完全陽的に計算可能である．本手法を大きな温度変化を伴う粒子層間隙における気体の流動計算に適用すべく，まずは手法の基本的な特性を確認した．具体的には，2次元キャビティ流れとキャビティ内自然対流問題に本手法を適用し，音速を抑制しない場合の計算結果と比較した．その結果，キャビティ流れにおいては，音速を抑制した影響が流速や圧力に比べて密度や温度に現れやすく，音速を過剰に抑制すると流れのマッハ数が十分小さい場合でも密度や温度の変化が無視できなくなる可能性が示唆された．また，左右の壁面間に大きな温度差（720 K）を与えたキャビティ内自然対流の計算では，音速の抑制により温度変化の大きな箇所での圧力変化を過小評価する傾向があるものの，流速，温度，密度への影響は圧力に比べて非常に小さく，音速抑制法が計算を高速化する上で有効な手法であることを確認した.
(2)直交格子を用いた自然対流を伴う水の凍結および氷の融解の数値計算手法：課題代表者らがこれまでに検討してきた数値計算手法について，水の凍結と氷の融解を同時に扱うべく，固液界面におけるステファン条件を用いた凍結層厚さの計算手法に改良を加えた．改良した手法を用いて自然対流を伴うキャビティ内の凍結・融解問題について数値実験を行い，対流による温度分布変化に応じて計算領域内で水の凍結と氷の融解が同時に生じるような複雑な問題への適用性を確認した．

Research Products

• [Journal Article] Numerical Prediction of Water-ice Phase-change with Natural Convection Including Density Inversion Region (2023)
  • Author(s): 西本 和貴、鳥生 大祐、牛島 省
  • Journal Title: Transaction of the Japan Society for Simulation Technology Volume: 15 Issue: 1 Pages: 27-35
  • DOI: 10.11308/tjsst.15.27
  • ISSN: 1883-5031, 1883-5058
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] MULTIPHASE COMPUTATION METHOD FOR FREEZING AND MELTING OF WATER WITH NATURAL CONVECTION INCLUDING DENSITY INVERSION REGION (2023)
  • Author(s): NISHIMOTO Kazuki、MOTONISHI Ryota、TORIU Daisuke、USHIJIMA Satoru
  • Journal Title: Japanese Journal of JSCE Volume: 79 Issue: 15 Pages: n/a
  • DOI: 10.2208/jscejj.22-15022
  • ISSN: 2436-6021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 音速抑制法とFractional Step 法による熱対流の数値計算 (2023)
  • Author(s): 鳥生 大祐
  • Organizer: 第28回計算工学講演会
• [Presentation] 水の密度逆転領域を含む自然対流と凍結・融解の多相場数値解法 (2022)
  • Author(s): 西本 和貴, 本西 亮太, 鳥生 大祐, 牛島 省
  • Organizer: 土木学会第25回応用力学シンポジウム
• [Presentation] Numerical prediction of water-ice phase-change with natural convection including density inversion region (2022)
  • Author(s): K. Nishimoto, D. Toriu, S. Ushijima
  • Organizer: JSST 2022
  • Int'l Joint Research