2020 Fiscal Year Research-status Report
Fundamental study on interactions between small solid particles and turbulence
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18K03925
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
渡邊 威 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30345946)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 乱流変調 / 固体粒子 / 大規模シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は，質点近似した粒子群による乱流変調が物理的にどの程度妥当であるかを検証することにある．その目的のために，微小であるが個々の粒子周りの流れを解像した粒子群と乱流の相互作用に関する計算を行い，質点近似粒子による結果と比較することで，質点近似の妥当性や問題点を明らかにすることを目指している．有限サイズの固体粒子群と流れの相互作用を扱う計算手法として，本研究ではVolume Penalization法を用いた.また乱流場はフーリエ・スペクトル法による直接数値計算コードを用い，レイノルズ数を抑えつつ粒子周りの流れを十分に解像できるよう配慮した大規模計算を実行した．
本年度は，有限サイズの粒子群を空間的に周期的に配置し，乱流場がこれらの粒子群によって変調する様子を解析した．また，これらの有限サイズ固体粒子を質点近似した粒子に置き換え，質点近似粒子による反作用力を考慮した計算を行い，両者を比較することで有限サイズの影響を検証した．解析では固体粒子の粒径を固定したまま，粒子数密度を変化させたときに乱流の運動エネルギーがどのような変化をするか調査した．その結果，運動エネルギーの減衰の様子は，ダムケラー数（粒子数密度に比例する流れの緩和時間を乱流の大渦回転時間で無次元化して定義される）を用いて整理されること，同じ物理的条件下であっても質点近似粒子よりも有限サイズ粒子群の方がより大きく乱流の運動エネルギーが減衰することがわかった．これは粒子周辺におけるエネルギー散逸の増大が大きく寄与していることが考えられるが，詳細は次年度に解析していく予定である．
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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
初年度は有限サイズ粒子群を解析するための計算コードの開発と整備，およびテスト計算を目標にし，順調に進めることができた．次年度はこれを踏まえた数値計算と理論的な考察を行い，乱流と固体粒子群の相互作用に関する新たな知見を得ることができた．本年度は次年度の結果を鑑みて，有限サイズの影響を明確に評価する方法として，粒子群を空間固定した問題に取り組み，質点近似粒子による結果との差異を明確に評価することができた．以上より研究はおおむね順調に推移していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
コロナ禍で研究業務に時間を割くことが例年より難しかったため、研究成果の発表等が滞る事態となっている．研究成果を学術論文としてまとめて，出版することが今後の目標となる．論文にまとめるにあたって必要な解析が不足しているので、引き続き解析を進めているくことが重要である．大きな展望としては、大規模計算にかかる計算コストの削減があげられる．計算は時間刻み幅を小さくとる必要があるが、計算方法を改良することでこれを克服する可能性について検証を進めている．現状ある程度の目途がついているので、これを計算コードに実装することも同時に目指していく．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍で旅費関係の支出が発生しなかったため、使用予定の予算を消化することが困難となった。次年度の使用計画としては、引き続き旅費としての使用は難しい状況であることを想定して、当該研究にかかるデータ解析等の研究補助者のための謝金等に支出すること、研究成果を国際誌で発表するために必要な経費として使用する予定である。
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