2017 Fiscal Year Research-status Report
水プラズマ廃棄物処理プロセス最適設計のためのマルチフィジックスシミュレータの開発
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16K13737
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
茂田 正哉 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (30431521)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 計算物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
他のプラズマと比しても特殊な水プラズマによる革新的な廃棄物無害化処理プロセスを対象とし、１万℃に及ぶ超高温環境での流動現象と物質分解機構や有害副生成物の再合成・輸送機構を再現・予測できる電磁流体力学・プラズマ伝熱学・化学反応学を重畳したマルチフィジックスシミュレータを開発することを目的として、研究を遂行している。平成29年度は、前年度に開発したプラズマの複雑熱流動場を高次精度でシミュレートするための計算手法を用いて、超高温のプラズマと低温の電離気体が共存し相互作用する環境において発現する流体力学的不安定性による渦群形成過程とそれらの動的挙動を明らかにし、さらには外部磁場を印加することでそのような複雑な場がコントロール可能であることを示した。さらに固液混合物質の分解・流動シミュレータの実現を目指して開発中のDEM(Distinct Element Method)法とSPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)法を組み合わせた粒子法を用いた連成計算によって、金属・スラグ・フラックスといった物質が混在する系における溶融・表面変形・溶落ちおよび温度差に起因する表面張力勾配が駆動するマランゴニ対流を伴う複雑流動現象のシミュレーションに成功した。同時にフラックスの昇華による活性ガスがプラズマ化した際の熱流動場の特性も明らかにした。また常温からプラズマ温度領域に渡る水の輸送係数および熱力学特性といったマクロスケールの特性を原子・分子スケールから算出するためのモジュールを開発した。
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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
超高温のプラズマと低温の電離気体が共存し相互作用する複雑熱流動場のシミュレーションおよび二種類の粒子法を組み合わせた連成計算による金属・スラグ・フラックス混在系のシミュレーションを実現している。加えて、常温からプラズマ温度領域に渡る水の輸送係数および熱力学特性といったマクロスケールの特性を原子・分子スケールから算出するためのモジュールも開発した。また前年度から引き続き、MPIによる並列化やGPUを使用した並列計算を行うための計算コード内における指示行の追加による依存関係解消、作業配列の活用によるロード数の削減、ループ分割によるコンパイラ自動最適化の促進、IF文の括りだし、ループ融合などを実施し、これらの最適化の有効性を確認しながら遂行した。以上より、おおむね順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
常温からプラズマ温度領域に渡る水の輸送係数および熱力学特性といったマクロスケールの特性を原子・分子スケールから算出するためのモジュールを３次元プラズマ流動モジュールとの融合を目指す。またプラズマ流動モジュールにおいて物質輸送の化学的非平衡性を表現できるように改良を施す。加えて、PCBや排水を模擬するものとしてジクロロトルエンおよびフェノール水溶液を廃棄物として想定し、水プラズマ-空気-廃棄物混合系の活性種(OH, O, O+, H, H+, N, N+, C, C+, CH, Cl等)の生成・再結合反応速度を考慮した数理モデルの構築を行う。さらに油脂状廃棄物を模擬したエチレン系ポリマーの温度依存性を考慮した物性値を組み込む。
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