2019 Fiscal Year Annual Research Report
Characterization of anisotropic fluid turbulence including solidification structure and development of prediction method
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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 |
本研究では、液体金属が凝固する際に、固液相変化の界面付近に形成される凝固組織構造と乱流が相互作用することを想定して、乱流の直接数値シミュレーションを実現することを目指した。そして、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た。その結果に基づいて、相互作用のメカニズムを考慮した乱流変調の予測方法に発展させる。そのために、本研究で実現した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した。
前年度までに、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、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、予測困難な乱流場の特性変調の観察と同時に、通常の実験計測では不可能な液体金属のデンドライトに相当する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、凝固組織構造の形状と流れ場に対する影響の特徴を明らかにした。凝固組織要素の空間的な分布は乱流構造の特徴と相関があり、凝固後の残留応力の空間的分布特性は、その前に存在していた乱流の特性によって決められることが示された。したがって、材料力学的欠陥の予測に対して、流体力学的な知見を必要とすることになる。そして、そのことから、乱流の空間的特徴を適切に再現できる乱流モデルによって材料力学的な結果の予測が可能である。また、凝固組織要素の形状は、流れの条件に依存することなく、不変的な性質を有していることがわかった。
なお、本研究成果の適用範囲の拡大のために、定量的フェーズフィールド法の導入に取り組んでいる。これにより、数値シミュレーションのパラメーター設定によらない普遍的な構造解析と予測制御を実現できる。その結果を踏まえて、本研究の成果をまとめて発表する予定である。
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