多次元気液二相流解析用の格子ボルツマン法の開発に関する研究

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09750179
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 陳 〓 東京大学, 工学系研究科, 講師 (00272394)
• Keywords: 分子運動論 / 格子ボルツマン法 / 相変化と二相流 / 気泡と液滴 / 自然対流

Research Abstract

去年度の研究に引続き、今年度の研究内容は、格子ボルツマン多相流モデルの拡張や、拡張された多相流モデルを用いた応用解析や、新しい熱モデルの開発と検証計算などで構成されている。今年度の研究実績は以下のようにまとめる。
1. 等温多相流モデルの三次元化 去年度で開発された格子ボルッマン多相流モデルを三次元化した。二次元の計算より数値的な不安定性が起こりやすいため、TVD/ACという空間の離散化スキームを採用した。よって、二相間のより高い密度比(やく100倍)の計算が成功した。また、二相分離、気泡と液滴の形成、ラプラス則の検証などの数値解析を行った。これらの研究により、格子ボルッマン多相流モデルの有効性を実証できた。
2. 等温多相流モデルの応用 格子ボルッマン多相流モデルを用いて、せん断流中に置かれた単一気泡又は液滴の挙動について数値解析を行い、重力場の作用による気泡の上昇と液滴の下降過程のシミュレーションも行った。
3. レベルセット法との組合せ 二相流問題に対する格子ボルツマン法の適用性をより広げるために、従来の数値流体力学の領域において二相界面の挙動解析にとって非常に有効な手法と知られているレベルセット法を取り込んだ。レベルセット法によって複雑な界面を追い、界面の幾何的な情報(曲率など)を利用して、二相界面での粒子分布関数を再配置するアルゴリズムを確立した。これをケルビン・ヘルムホルツの不安定性及びレイリー・テイラー不安定性の数値計算に応用した。
4. 新しい熱モデルの開発と検証 等温モデルのように粒子の密度分布関数が扱われる以上、粒子のエネルギー分布関数を導入し、連続のボルツマン方程式からその支配方程式を導いたことにより、熱流動の数値解析に適する新しい格子ボルツマンモデルを開発した。従来のマルチスピードの格子ボルツマン熱モデルに比べ、優れる数値安定性を持つこと、粘性散逸を自由に考慮と無視できること、プラントル数を自由に調整できることが特徴づけている。このモデルを用いて、キャビティー内の自然対流問題を取り扱い、得られた結果がナビエ・ストークス方程式の数値解とよく一致することが確認した。格子ボルツマン多相流モデルと本モデルの組合せは今後の研究課題となっている.

Research Products

• [Publications] 陳 〓、大橋弘忠: "格子ボルツマン法による複雑流れの数値解析" シミュレーション. 17・3. 43-49 (1998)
• [Publications] 大橋弘忠、横井俊昭、陳 〓: "散逸粒子動力学法による内部構造をもつ流体の流れ解析" ながれ. 18. 6-11 (1999)
• [Publications] Yu Chen et al.: "Lattice Boltzmann Simulation of Two-Phase Fluid Flows" to be published in International Journal of Modern Physics C. (1999)