マルチスケール解析に基づく混相流動詳細解析コードの開発

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13750135
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高木 周 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (30272371)
• Keywords: 混相流 / 分散相流れ / マルチスケール / 気泡 / 数値解析 / モデリング / 表面活性剤 / 平均化方程式

Research Abstract

多数の気泡や液滴・粒子を含む流れは,流体機械を始め,化学反応器,熱交換器,エンジンの燃料噴射部など,工学上重要となる種々な装置で見受けられる.そのため,これらの流れを精度よく,高速・安定に計算する手法の開発が望まれているが,これらの流れでは流れの大域的構造(マクロ構造)の中に多数の分散相が生み出すミクロ構造が存在しており,ミクロ,メゾ,マクロの様々なスケール間の相互干渉によって現象が支配されているため,高精度の数値計算が困難なものとなっている.本研究では,これらミクロ・メゾ・マクロの多重スケール構造を持つ気泡流に関して,そのスケール間干渉が正確に再現できるような数値計算手法を開発することを目的としている.
本年度は,液体の密度に対して,小さな密度を持つ気泡と大きな密度を持つ重い粒子について,その挙動の違いを評価するための数値計算を行った.流れ場として,一様等方性乱流場とNavier-Stokes方程式の解析解の1つであるTaylor-Green渦を用い,Stokes数をパラメータとして,分散相の挙動が流れ場によってどのような影響を受けるかを評価した.その結果,同じStokes数であっても,重い粒子に比べ軽い気泡は,より流れ場の影響を受け選択的集積を起こしやすいこと,広い範囲のStokes数において流れ場の影響を強く受け易いことなどを示した.また,低Re数で上昇する気泡に働く壁近傍場での力や並進運動に伴う減圧成分に関して理論解析を行い,数値計算や実験との比較を通して,それらの力を表現するための簡潔な表記を与えた.

Research Products

• [Publications] Sugiyama, K., Takagi, S. Matsumoto, Y.: "Multi-scale analysis of bubbly flows"Computer methods in applied mechanics and engineering. 191. 689-704 (2001)
• [Publications] Takagi, S.: "Force Acting on a Bubble under the Various Situations"Proceeding of ASME Fluid Engineering Division Summer Meeting. FEDSM01(CD=ROM). #18178 (2001)
• [Publications] Sugiyama, K., Takagi, S, Matsumoto, Y.: "Three Dimensional Numerical Analysis for Bubbly Flow around a Circular Cylinder"JSME International Journal, Series B. Vol.44. 319-327 (2001)
• [Publications] 高木周, 竹村文男, 松本洋一郎: "壁面近傍を上昇する変形希望に働く力の理論解析"日本機械学会論文集(B編). 67・657. 1138-1145 (2001)
• [Publications] 杉山和靖, 高木周, 松本洋一郎: "乱流構造が気泡・粒子運動に及ぼす影響(各種乱流統計量に及ぼす粒子密度の影響)"日本機械学会論文集(B編). (掲載予定). (2002)