2018 Fiscal Year Research-status Report
遅すぎず速すぎない爆燃現象を用いたマルチフラクチャー造成技術の構築
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18K14165
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
福田 大祐 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80647181)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 爆燃現象 / 爆燃破砕シミュレータ / 岩石・岩盤 / 岩質材料 / 高速破砕 / マルチフラクチャー / 石油・シェールガス採掘 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，本研究で開発する『爆燃現象に伴う高速載荷によって生じる岩質材料の複雑破壊過程』を解析可能な『爆燃破砕シミュレータ』の開発に取り組んだ．本シミュレータの開発は，GPGPU高速並列計算技術に基づいた独自開発の岩質材料の3次元複雑破壊過程解析法(以下DFPA)と爆燃過程解析法(以下Deflag)の両解析法の高度なカップリングを基礎とするものである．
本研究開始前の段階ではDFPAを実験室規模の岩石の高速破砕現象のモデル化に適用して妥当性評価を実施するに留まっていたため，本年度はまず，既に実施したニトロメタンの爆燃圧計測の結果(Fukuda et al. 2013)に基づき独自に提唱した爆燃圧モデルをDFPAに組み込み，ニトロメタンを用いた爆燃破砕のプロトタイプ解析を実施するところから開始した．しかし，その過程で想定外の計算の不安定化が生じ，その原因究明が必要となった．その際，3次元解析ベースで検証を行う場合，GPU高速並列計算技術を用いても多大な計算時間を要し，あまりに効率が悪かったため，同様の不安定化が観測された2次元版のDFPAを有効に活用しながら検証を行った．この結果，大略100マイクロ秒で1GPaに達する高速爆燃載荷に伴う岩質材料の破砕解析では，実験室規模の岩石の高速破砕過程解析では考慮する必要がなかった解析安定化手法の導入が必要であることを明らかにし，その合理的な設定法を確立した．具体的な成果としては，爆燃破砕シミュレータの開発は計画より若干遅れているものの，査読付き国際学会Proceedings（3件）及び関連分野では最高位の国際誌の一つであるInt. J. Numer. Anal. Methods Geomech（1件）に採択される成果を生んだことからもわかるように，本研究遂行の意義・重要性は当該分野において極めて高いものであることが示せて来ている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
【研究実績の概要】で述べたように，既に本研究から一流の国際誌に採択される成果を出すことに成功している．しかし，本研究で最も重要な課題である爆燃破砕シミュレータの開発が計画よりもやや遅れている．理由としては，研究実績の概要で述べたように，爆燃載荷モデルをDFPAに適用した場合，予測しなかった不安定化が生じてしまい，本年度はその原因究明・解決を最優先に取り組んだことから，そのために多くの時間を費やす結果になった点が挙げられる．
なお，Hybrid FEM/DEM法ベースであるDFPAと粒子法ベースであるDeflagシミュレータのカップリングの進捗状況としては，両シミュレータともにカップリングに供するためのGPGPUベースのプロトタイプはほぼ完成し，本研究課題採択時と比較しても高度化は達成できていることから，現在の進捗状況が大幅に遅れているとは考えていない．現在は当該カップリングを実現するために，当初計画に従いカップリングアルゴリズムの実装に取り組んでいる．複数案のカップリングアルゴリズムを考えており，現在は，その中で最も実装が容易な案を検討している．具体的には，DFPAにおける岩質材料部に相当するHybrid FEM/DEM要素の力学的状態に等価な仮想個体粒子を用意し，これとDeflagにおける燃焼を表現する各粒子とを相互作用させ，他方，燃焼担当粒子の影響圏内に存在する岩質材料部に相当するHybrid FEM/DEM要素に対しては，当該燃焼担当粒子の燃焼圧をFEM/DEM法の枠組みで作用させる方法の実装に取り組んでいる．なお，これまで多くの開発時間を通してノウハウが十分に得られているDFPAと比較して，開発歴の短いDeflagについては，特に精度向上・ノウハウの蓄積が必要である．
以上の理由から，研究は着実に進んでいるが，当初計画からはやや遅れていると結論した．
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| Strategy for Future Research Activity |
爆燃破砕問題において，ニトロメタンの爆燃破砕以外については，現在も国内外問わず知見が得られていないため，当初の研究計画に従い2年目はニトロメタン以外の爆燃材に関する知見の集約を目指し，爆燃破砕に関する実験的な検証に取り組む．現時点では，Thermite反応を利用した爆燃材を主たる対象として考えており，本年度中に韓国のChonbuk National Universityにおいて各種測定や実験を進める．具体的にはThermite反応ベースの爆燃材を用いたコンクリートブロックの実証破砕実験の実施や各種力学物性値の取得，当該爆燃現象を特徴づける載荷特性について明らかにしていく。同時に，上記【研究実績の概要】及び【今後の研究の推進方策】で述べたように，当初計画より爆燃破砕シミュレータの開発（＝DFPAとDeflagのカップリング）が遅れている現状を打破するため，本タスクについては特に重点的に取り組む．なお，本研究で取り組んでいるDFPAやDeflagといった個々の構成シミュレータ自体も極めて高度であるため，上述したDFPAの不安定化の解決に関する成果をまとめた内容ですら，本研究プロジェクト開始後1年目の段階においても当該分野で最高峰の国際誌で成果が採択されるという副産物的な成果を得ている．同様に，当該カップリングの開発段階で想定外の自体が生じた場合も柔軟に取り組み，来年度以降も積極的に成果をまとめて著名な国際誌へ論文を投稿していきたいと考えている．
また，3年目で実施予定の検証に必要な解析のプラットフォーム構築（Hybrid FEM/DEM法の枠組みにおける原位置応力のシミュレーション，シミュレートした原位置応力下で複雑亀裂進展過程の検証，そして，これに高度な爆燃シミュレータのカップリングにより加えた爆燃破砕シミュレーション）についても徐々に取り組んでいく予定である．
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