2018 Fiscal Year Research-status Report
凝固組織を含む非等方性流体乱流の特性解明とシミュレーションによる予測法の開発
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17K06149
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
太田 貴士 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (10273583)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 乱流 / 液体金属 / 凝固 / 溶融 / 非ニュートン粘性流体 / 直接数値シミュレーション / データベース |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体金属の固液相変化の界面付近に凝固組織構造が存在する流れを想定して、発達した壁乱流が凝固組織の形成に与える影響と凝固組織構造が乱流に及ぼす影響を調べて、その相互作用のメカニズムを考慮した乱流変調の予測方法を確立することを目指している。そのために、乱流の直接数値シミュレーションの技術を用いて、壁乱流の組織的構造を観察するための流れ場データベースを構築する。
前年度において、凝固組織構造の形成を予測するための解析手法の導入によって、さらに予測困難な乱流場の特性変調が観察できることが期待されて、固体材料力学に基づく組織構造の予測方法を導入する必要があることがわかった。そのことを受けて、固液相変化が発生する流れ場における凝固組織構造を再現するために、今回新たに、フェーズフィールド法を導入した。該当分野においてはじめて、フェーズフィールド法と乱流の直接数値シミュレーションを組み合わせた乱流場を再現できた。この結果として、デンドライトに相当する凝固組織の初生とその後の成長を詳細に観察できるようになった。そして、通常の実験計測では不可能な液体金属の凝固過程における組織構造の観察が可能になった。
本研究の成果として、乱流組織構造が壁面上の凝固組織の初生の特徴を決めており、凝固組織が成長することによって、乱流組織構造を打ち消す効果があることがわかった。凝固組織の初生と成長が乱流の抑制に対して、ポジティブフィードバックの効果を示すことが示唆された。この現象の普遍性を証明するために、更なる解析が必要である。
なお、当初の予定よりも高精度な数値シミュレーションを実現できたことから、予測方法の構築に取りかかる前に、さらに詳細な数値シミュレーションの結果の解析が必要になった。したがって、次年度においても、本結果の解析を継続する。
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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
当初の予定より、高精度に現象を再現できる数値シミュレーションを実現できるようになったので、その結果の観察と解析のために引き続き、直接数値シミュレーションの実行を継続する。また、フェーズフィールド法との組み合わせを実現できたことから、固体材料力学に基づく凝固組織内部の解析も可能になることが期待できる。今後の研究の発展も期待できる状況にある。したがって、現在までの達成度は良好であるものの、今後、乱流変調の予測方法の構築に向けた当初の計画に比べて遅れる可能性がある。
直接数値シミュレーションの解析の進展状況によっては、乱流変調の予測方法の構築に関する取り組みと並行して実行することになる。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、乱流の直接数値シミュレーションを実行して、詳細な流れ場の観察を実行する。さらに、乱流変調の予測のために必要な要因を抽出して、予測方法構築のために準備する。また、凝固組織の初生と成長の特徴を調べて、凝固組織の乱流場への影響を考慮した乱流変調予測方法の開発につなげることを目指す。さらに、直接数値シミュレーションの解析結果に基づいて、乱流変調の予測法を構築する取り組みを並行して実行する。
本研究を実行するために必要な３次元乱流場のデータベース構築のために、外部大型計算機センターの計算機と研究室内計算機を引き続き利用する。そして、研究室計算機では、乱流場の大規模データベースの追加、最適化、維持管理を進める。
凝固組織内部の残留応力のような力学的特徴を予測、観察できる見通しがたったことから、材料強度の予測と制御の観点から本解析結果を利用する可能性を検討する。その際に、実験計測を実施する連携研究者との協力をさらに進める。
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| Causes of Carryover |
本年度の時点では、データベースの追加と最適化が完了していない。次年度において、引き続きデータベースの改善を継続する予定である。そのことから、データ保存用ディスクの緊急の必要性が生じなかったために、データ保存用ディスクの本年度の購入を見送った。また、直接数値シミュレーションの成果を国際会議で発表するための経費を予定している。
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