Construction of lattice-Boltzmann method for direct simulation of the interaction between a gas-liquid interface and sound

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K03930
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 片岡 武 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (20273758)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 音波 / 気液界面 / 数値計算

Outline of Annual Research Achievements

液滴と音波の相互作用を計算負荷の小さい２次元モデル、つまり液相と気相は異なる２種類の粒子を用いたモデルにより計算を実施した。気相と液相が大きく異なる点は，密度と粘性それに圧縮性であるが，気液界面にはまた界面張力が働く。格子ボルツマンモデルは元来理想気体のモデルであるが，このモデルに分子間力に相当する力を組込み液体の圧縮性を模擬した。また空気，水の場合には密度において約800倍の違いがあり，このモデル化は液相での加速度を小さくすることによって対応した。水中音の計算のため，液相を完全な非圧縮とせず気相での音速の４倍ほどの音速になるモデルを開発しているので，このモデルを用いた。
これらの要素を組み込んだモデルで，液滴が液面に衝突する際のシミュレーションの結果を得た。液滴と液面との衝突面で発生した水中音が液滴内および液相内を伝播するとともに，空中にも伝播していく様子が捉えられ，同時に液に細かな気泡が取り込まれることにより，音の放射が２重極的になることも確認できた。
２次元での計算法の確立の後，３次元モデルでの計算に進んだが，３次元の計算においては本モデルの拡張では安定的な計算を行うことができなかった。計算のMPI手法については取得済みであり、PCクラスターを使用した計算を実施したが、安定的な計算を可能とする最適パラメータを同定することができなかった。原因としては、３次元の分子速度空間に対して、十分な離散点を配分できなかったことが原因の１つと考えられ、今後改良モデルを継続して開発する予定である。