New perspective of moving-boundary flow analysis by the stress tensor discontinuity-based immersed boundary method
| Project/Area Number |
23K26036
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| Project/Area Number (Other) |
23H01341 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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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 | Shinshu University |
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Principal Investigator |
鈴木 康祐 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (10735179)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
浅岡 龍徳 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (30508247)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥14,300,000 (Direct Cost: ¥11,000,000、Indirect Cost: ¥3,300,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
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| Keywords | 移動境界流れ / 埋め込み境界法 / 格子ボルツマン法 / 数値流体力学 / 融解・凝固 |
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| Outline of Research at the Start |
流体中を物体が移動することにより誘起される流れの数値計算において，「どのようにして変形する境界が受ける局所的な流体力を計算するか？」という点が，解決すべき大きな問題点である．本研究では，局所的な流体力を計算できる手法である「応力テンソルの不連続性に基づく埋め込み境界法」を拡張し，変形する境界へ適用，およびその妥当性を検証する．適用する問題は，(A) 変形する物体として最もポピュラーな弾性体を含む移動境界流れと，(B) 固相が相変化しながら液相中を流動するPCMを含む移動境界流れを取り上げる．
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| Outline of Annual Research Achievements |
流体中を物体が移動することにより誘起される流れの数値計算において，「どのようにして変形する境界が受ける局所的な流体力を計算するか？」という点が，解決すべき大きな問題点である．本研究では，局所的な流体力を計算できる手法である「応力テンソルの不連続性に基づく埋め込み境界法」を拡張し，変形する境界へ適用，およびその妥当性を検証する．適用する問題は，(A) 変形する物体として最もポピュラーな弾性体を含む移動境界流れと，(B) 固相が相変化しながら液相中を流動するPCMを含む移動境界流れを取り上げる．
2023年度は，(A-1) 有限要素法とのカップリングと2次元での妥当性検証を行った．カップリングの方法として，Zeng et al., Appl. Sci. (2023)を参考に構築し，流れ中の弾性ファイバーの運動計算を行った．その結果，安定して計算が可能となったものの，既存の計算結果との定量的な一致が見られず，継続して妥当性検証が必要である．
また，(B-1) 熱移動および溶融・凝固とのカップリングと2次元での妥当性検証を行った．カップリングの方法として，Huang and Wu, J. Comput. Phys. (2014)の手法を取り入れ，1次元，2次元，および3次元のStefan問題を計算し，妥当性検証を行った．その結果，解析解との良い一致が得られ，手法の妥当性が確認できた．さらに，手法の3次元化が課題であったが，境界点位置から符号付距離関数を計算し，それを用いて単位法線ベクトル計算や境界点間距離の概算ができるようになったことから，手法の3次元化が可能となった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度は，既存の手法をベースに新しい手法を構築するものであり，また妥当性検証のための問題もコーディングの容易な単純なものを選んでいるため，特に進展の障害となる要素がなかったため．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画に沿って，応力テンソルの不連続性に基づく埋め込み境界法を拡張し，変形する境界へ適用，およびその妥当性を検証する．手法の拡張に当たって，問題に応じていくつかの課題がある．それらを以下に示す研究計画に沿って解決していく．
(A-2) 3 次元化と動脈瘤の形成・発達計算への応用：2023年度に構築した弾性体に対する計算手法を3次元化し，妥当性検証を行う．そして，血管を弾性壁とみなして，構築した手法を動脈瘤の形成・発達計算へ応用し，血管の変形と局所的な力の関係を調べる．さらに，この血管モデルをネットワーク化して，大規模なシミュレータの開発を目指す．
(B-2) 3次元妥当性検証のためのベンチマーク問題の実験：溶融・凝固を伴う移動境界流れに対して，3次元妥当性検証のためのベンチマーク問題は確立されていない．本研究では，ベンチマーク問題を確立するための実験も行う．実験として，ディスク状の薄い中空円筒内にパラフィン等の融解しやすい物質を詰めて，円筒の円周部に流路を隣接させ，その流路に一定温度の温水を流し続けることで，円筒内部の物質を融解するような，2次元，等温壁面条件の計算しやすい単純な系を想定している．
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
