2019 Fiscal Year Research-status Report
移動床流れへのハイブリッド・アプローチ：土砂混入による変調現象の理解を目指して
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17K06573
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
横嶋 哲 静岡大学, 工学部, 准教授 (80432194)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
音田 慎一郎 京都大学, 工学研究科, 准教授 (50402970)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 粒子混相流 / Maxey-Riely方程式 / バセット履歴力 / 2wayカップリング / 界面捕獲法 / ACLS法 / CICSAM法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に引き続き、今年度も「(ii)開水路流れの水面変形・変動を高効率・高精度に捉えるための界面捕獲法の追求」、「(iii)浮遊砂の高精度予測のための有力法であるEuler-Lagrange法（流体運動はオイラー視点で捉え、微小粒子は質点近似された運動方程式（Maxey-Riley方程式、以下EL法）に基づいて個々の粒子運動を個別追跡）の高精度化と基本性能評価」、および「(iv)掃流砂による移動床流れ予測の高精度化」に取り組んだ。
(ii)については、昨年度までにレベルセット法系統のACLS法と、VOF法系統のCICSAM法の実装と界面移流問題における基本性能評価を概ね終えており、今年度はそれらを流体ソルバーと組み合わせ、気液混相流解析手法として両者の比較検討を行った。クーラン数を低く抑えることで、CICSAM法はACLS法に匹敵する高精度な数値予測を可能にすること、ただし表面張力が支配的な現象に対してはCICSAM法は難を有し、界面曲率の評価に特別な工夫が必要となることを確認した。
(iii)については、引き続きバセット履歴力の影響の解明に取り組み、流体より軽い粒子に対しては比重が0.7以下の場合に、バセット履歴力の影響がより顕著に認められることを新たに確認した。また、今年度は2wayカップリング（粒子も流体もお互いに影響し合う）条件下でのEL法の基本性能評価に取り組んだ。粒子比重が小さい場合にはEL法は定量的にも高精度な結果を与えるものの、粒子比重が増すにつれて顕著となる乱流変調現象を十分に再現できず、EL法に改善の余地があることを確認した。
(iv)については、3次元反砂堆の形成過程に関する数値解析を行い、結果の妥当性を確認した。多くの先行研究では鉛直2次元計算に留まるのに対して、本研究では3次元反砂堆の形状特性を概ね再現することができた。
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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
昨年度までと比較して、いくつかの点でより実用的な条件下で検討を実施できた。具体的には、界面捕獲法について、昨年度までは移流速度が既知な場合の検討に限られていたのに対して、今年度は本来のターゲットである気液混相流現象を対象として、流体運動との連成問題としての基本性能評価を実施できた。また、微小粒子混相流解析手法であるEL法についても、粒子と流体が互いに影響し合う、2wayカップリング条件下での基本性能評価を実施できた。さらに小規模河床波である3次元反砂堆の形成過程も概ね再現できることを確認できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究が目指す、高精度・高効率な巨視的移動床シミュレータの構築に関して、個々の構成要素の実装と基本性能評価、課題の把握について概ね順調に進展してきた。今後はこれらが組み合わさった場合の基本性能の把握、問題点の抽出が望まれる。移動床現象に関しては、モデルの基本性能評価に供する信頼性の高いデータが限られることがこの分野の進展を妨げる一因でもあるので、いかなるモデルにも頼らない、fully-resolvedな粒子混相流解析を自らも実施し、性能評価に必要なデータも自ら創り出す点についても作業を進めたい。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスの感染拡大のため、参加予定の研究集会が相次いで中止となり、次年度に開催される研究集会等に参加する必要が出たため。
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