2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of the multi-phase thermal fluid simulator for the analysis of high temperature processes.
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17K06881
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
伊藤 公久 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10159866)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 混相流 / 数値流体力学 / 粒子法 / SPH / 非ニュートン流体 / 気泡 / 伝熱 / 熱分解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
数値流体力学の代表的なLagrange手法の一つであるSPH法を用いて、熱流体解析シミュレータの開発を行った。本年度は、高速GPGPU（P-100）を導入し、高速かつ大規模な計算が可能となった。主たる成果は以下の通りである。
１） XSPH法を導入した気液混相流の詳細シミュレーションプログラムを完成させ、水中を上昇する気泡形状の予測を行い、報告されている実験結果を再現することが出来た。また、円柱形水浴の中央に高速ガスジェットを吹付け、ジェットによるキャビティーの生成や液面変動を計算した。シミュレーションの精度確認のため、実際に実験を行って結果を比較した。
２）流体プログラムに伝熱及び化学反応を連成させることで、溶融鉄浴中に打ち込まれた炭酸塩の熱分解シミュレーションを行った。まず、熱伝導方程式とStefan-Boltzmannの式をSPH法の解析コードへ実装し、解析解との比較を行うことで十分な精度を持つことを確認した。その後、フラックス球が鉄浴へと打ち込まれる際の挙動を計算し、時間変化する内部温度分布を追跡した。分解速度式を導入して計算を行った結果、粒子径が大きいものほど熱分解で発生するCO2の量が多いことが示唆された。CO2の発生速度は極めて大きく、フラックスが未反応核を持つのであれば、内部ガス圧が急激に上昇するため、クラッキングの発生によって粒子が鉄浴内へ広範囲に分散することが予想される。
３）凝固析出を伴う非ニュートン流体の解析プログラムを開発し、溶融スラグの顕熱回収プロセスのシミュレーションを行った。脱炭スラグの平衡状態図から固相率を概算し、Einstein-Roscoeの式から見かけの粘度を算出する粘度モデルを構築した。半陰的SPH手法を用いて双ロール式スラグ連続凝固プロセスにおける、スラグの凝固及び流動の予測を行い、実機と良い一致を見た。
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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
1) 非ニュートン流体とニュートン流体との相互作用についての研究：本研究では、粘性項とそれ以外の項の計算を分離して計算した後に、粘性項を陰的に解く方法を確立した。また、GPGPUによる計算の高速化効果をさらに導き出すために、粒子探索アルゴリズムとデータ転送アルゴリズムに改良を加えた。これを用いて凝固析出を伴うビンガム流体の解析プログラムを開発し、溶融スラグの顕熱回収プロセスのシミュレーションを行った。脱炭スラグの平衡状態図から固相率を概算し、Einstein-Roscoeの式から見かけの粘度を算出する粘度モデルを構築して双ロール式スラグ連続凝固プロセスにおける、スラグの凝固及び流動の予測を行い、実機と良い一致を見た。
2) 高速気体と液体との相互作用：XSPH法を導入した気液混相流の詳細シミュレーションプログラムを完成させ、水中を上昇する気泡形状の予測を行い、報告されている実験結果を再現することが出来た。また、円柱形水浴の中央に高速ガスジェットを吹付け、ジェットによるキャビティーの生成や液面変動を計算した。シミュレーションの精度確認のため、実際に実験を行って結果を比較した。
3) 高温液体と粒子の相互作用：流体プログラムに伝熱及び化学反応を連成させることで、溶融鉄浴中に打ち込まれた炭酸塩の熱分解シミュレーションを行った。まず、熱伝導方程式とStefan-Boltzmannの式をSPH法の解析コードへ実装し、解析解との比較を行うことで十分な精度を持つことを確認した。その後、フラックス球が鉄浴へと打ち込まれる際の挙動を計算し、時間変化する内部温度分布を追跡した。分解速度式を導入して計算を行った結果、粒子径が大きいものほど熱分解で発生するCO2の量が多いことが示唆された。CO2の発生速度は極めて大きく、クラッキングの発生によって粒子が鉄浴内へ広範囲に分散することが予想される。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 非ニュートン流体とニュートン流体との相互作用についての研究：非ニュートン流体とニュートン流体からなる2相流について、さらなる計算の高速化を行い、100万粒子規模の計算を実現する。さらに、非ニュートン流体として擬塑性流体を取り上げ、泡立ちスラグやグリースの流動シミュレーションを行い、実験と比較する。
2) 高速気体と液体との相互作用：静止液体上へ、高速（数十m/s以上）の気体ジェットを吹き付けた場合の気体と液体の挙動を記述できるシミュレーションプログラムを、XSPH法を発展させて開発する。また、検証実験として、既存の水槽に、水またはシリコンオイルを入れ、上方よりノズルを介して高速の気体ジェットを吹き付け、生成するキャビティーの形状や発生するスプラッシュ、浴内に導入される気泡などを、高速ビデオによって観察する。観察結果をもとにして、モデルの予測性の向上を図る。
3) 高温液体と粒子の相互作用：固体粒子の熱分解を考慮し、熱分解速度と分解に伴う熱吸収を考慮したモデルを開発する。またモデルの検証実験として、試薬もしくは実際の鉱石からCaCO3ブロックを作成し、中心部に熱電対を設置する。この試料を加熱した電気炉内で保持し、その温度変化と重量変化を連続的に測定して、シミュレーション結果と照合し、熱分解速度の推定を行うとともに、粒子法による伝熱・反応計算を併用した、新しい反応速度測定法の開発を行う。
4) 速度論シミュレータの改良：開発した各種の粒子法シミュレータと現有の速度論シミュレータとの連結を試みる。速度論シミュレータは脱リンに特化しているので、一般性を持たせるため、シミュレータ内の計算熱力学データを充実させる必要がある。具体的には、様々な精錬反応（脱硫、脱炭、脱窒、脱酸）に対応した熱力学情報を既存のデータべースから抽出し、高次の競合反応を解析するためのプログラム開発を行う。
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