2016 Fiscal Year Research-status Report
混相流中で移動する物体周りの熱授受・相変化解析手法の構築
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16K18018
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
高橋 俊 東海大学, 工学部, 准教授 (60553930)
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2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 混相流 / 数値流体解析 / 気液二相流 / 連成解析 / 熱流体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
界面捕獲法の一つとして用いられている保存型レベルセット法と，直交格子において物体を表現する埋め込み境界法を応用し，移動物体周りを流れる固気液三相流の解析手法を構築した．埋め込み境界法はレベルセット法とゴーストセル法に基づいた手法を用いている．これまで，多数の微粒子を含む固気混相流のシミュレーションや，重力，表面張力の影響を考慮した管内の気泡，エンジン内のオイル等の流動解析を行い，解析精度の検証と現象の把握に努めてきた．固気混相流のシミュレーションでは，圧縮性Navier-Stokes方程式に基づいた遷音速から超音速流中における固気混相流の振る舞いを大型計算機により解析し，粒子周りに生じる特徴的な渦構造と渦―粒子の干渉が，レイノルズ数，また粒子数によってどのように変化するかについて調査した．また非圧縮性Navier-Stokes方程式に基づいた固気混相流の研究では，多数の微粒子を壁面に衝突させた際の流体と粒子間のエネルギ授受過程について調査を行い，従来研究されてきた離散要素法との比較を示し，その差異について明らかにした．さらに，混相流と構造解析の連成解析技術の開発にも注力し，気液二相流中で液体の衝撃力による物体の座屈現象の再現にも成功した．現在は，熱授受解析にこれらの技術を応用し，相変化を考慮した様々な熱流体解析に本研究を応用すべく解析手法の構築を行っている．通常の埋め込み境界法を用いると，厳密に保存則を満足するような定式化をしていないため，異なる相間における熱授受において熱量を厳密に保存することが難しい．そこで今はvoxel法に基づいた解析手法により，完全に熱量が保存するような解析を行っている．しかしながら，今後は任意形状に対する熱流体解析を安定かつ高精度に行うため，異なる相間における熱流束の精度の良い見積りと，それに基づいた保存性の良い熱解析手法を構築する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
直交格子法における埋め込み境界法の多くは，保存則を満足するような定式化がなされていないため，厳密に保存則を満足することは難しい．また熱解析においては，異なる相の界面において各相から見た界面上における温度と熱流束は一致する必要があり，これは一般的な埋め込み境界法では満足されない．すなわち，広く用いられている線形勾配を仮定した埋め込み境界法を用いて，固気，固液間の熱授受を解析すると，質量と熱量の保存において誤差が生じることとなる．熱解析においてこの誤差が許容範囲内であれば問題ないが，閉じた系で僅かな熱量の差によって現象が変化するような対象では致命的な問題となりうる．そのため，現在は直交格子の単純性を活かしてvoxel的なアプローチによって形状を表現し，熱量を完全に保存するような解析手法により，熱境界層の解像に努めている．こちらの手法は簡易的で，これまでの検証では熱授受，熱量の保存共に良好な結果が得られている．しかしながら今後は任意形状への展開と，さらに相変化への適用を検討する必要があり，開発の進捗状況としては少々遅れ気味である．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在の解析において，固気液三相流中における熱授受問題で最も重要なことは，熱量が正確に保存することである．既に熱量を保存させて相変化を解析する手法はこれまでにも提案されているが，実装が煩雑で，論文等では全ての情報を開示していないものもよく見られる．そこで本研究では，実装が簡易的でかつ予測精度が許容できる範囲で得られる手法の開発を目指す．まずは現在のvoxel法に基づいた手法により，熱量の保存と熱輸送解析の妥当性を確認する．その後，相変化モデルを導入し，エネルギーの変換が正しく行われることを確認した後，直交格子において埋め込み境界法を用いて表現された任意形状への適用を検討する．さらにその後，直交格子上における移動物体への適用を検討し，固気液三相流中における相変化問題の解析手法の構築を行う．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は，研究代表者の研究に対するエフォート（研究時間）が不足したため，本来代表者本人が出席して情報収集に当たるべき学会等に参加できなかったことによる旅費代，また論文を記述する時間が取れなかったことによる論文投稿料，さらにワークステーション等の器材の価格の変動が主な理由として挙げられる．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
翌年分は，現在の状況を改善して当初の予定通りに進めることで申請した計画通りの使用を心がける．研究時間の確保については，より効率的な研究環境の構築について研究機関内に働きかけている．また論文についてはほぼ執筆する段階にあるため，後は研究時間の確保が至上命題である．
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