Study of non-similarity in multiphase turbulent transport on the basis of unified averaging equations

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02066
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Kajishima Takeo 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 招へい教授 (30185772)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹内 伸太郎 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (50372628)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 流体工学 / 混相流 / 乱流 / 粒子 / 数値シミュレーション

Outline of Final Research Achievements

As a proper basis of numerical method for multiphase turbulent flows, we derived an integrated average equation based on local volume averaging for direct and large-eddy simulations of particle-laden turbulent flows. The solid-fluid interaction force terms and subgrid-scale stress terms within the control volume were extracted. It was verified that the framework of our integrated average equation is effective for our purpose, within the condition in which existing models can be applied. As an application example, we attempted to explore the conditions for non-similar transport of momentum and heat in solid-liquid two-phase turbulent flows. But, we faced the necessity to simulate the collective behavior of particles laden in at high concentrations. Then, in order to deal with the conditions with a realistic computational capacity, we constructed and implemented an extended lubrication model that can be applied to narrow passages between particles.

Free Research Field

流体工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

混相流と乱流の数値シミュレーションでは従来、それぞれの分野で慣用的な（しばしば明確に定義されていない）平均化方程式と物理モデルが用いられてきた。多相系の乱流に対しては、それぞれの既存のモデルの欠陥だけでなく、単純な組み合わせによる不整合が解消されていないため、普遍的な解析方法が確立されていない。本研究で導出した統合平均方程式は、放置されてきたこれらの問題を解決する指針を与える。
省エネルギーに寄与する流動抵抗の低減と伝熱の促進の両立は、単相流では困難であるが、混相状態にすれば実現できるかもしれない。本研究は、運動量と熱の非相似輸送条件を探索するための数値シミュレーション法の構築の基盤となる。