2020 Fiscal Year Annual Research Report
Innovative CFD simulation for multiphase flows including free surfaces
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19H05613
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
青木 尊之 東京工業大学, 学術国際情報センター, 教授 (00184036)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森口 周二 東北大学, 災害科学国際研究所, 准教授 (20447527)
橋本 博公 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30397731)
肖 鋒 東京工業大学, 工学院, 教授 (50280912)
白崎 実 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (50302584)
渡辺 勢也 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (80871540)
高木 知弘 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (50294260)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 自由界面 / 混相流 / 液膜 / 流木 / AMR / 泡沫 / 液架橋 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、① 多量の瓦礫や流木を含んだ流れの斜面災害のシミュレーション、② 液膜のダイナミクスおよび泡沫の生成・崩壊のシミュレーション、③ 粒子間の液架橋を直接計算するスラリーの固気液分散系シミュレーションから構成される。
① 八戸工大の15m水槽での多数の流木に対する補足の計算結果は、補足される流木の数、補足された流木の角度等が実験と非常に良く一致した。2016 年の風10号で洪水氾濫を起こした岩手県岩泉町乙茂地区の実地形に対応できるようにデータを加工・修正し、さらに建物や架橋と地形を分離する作業を進めた。また、地形に沿って格子が細分化されるようにコードの改良を行った。第一段階として、計算領域と流木の数を限定した計算を実行した。
② 水中に配置した多数の気泡が上昇して水面に到達すると径が小さければ気泡どうしは合体せず、液膜で隔てられた泡沫が形成されるはずであるが、非常に高解像度で計算しない限り気泡は距離が接近しただけで数値的に合体してしまう。そこで、マルチ・フェーズフィールド法を導入し、それぞれの気泡に異なるフェーズフィールド変数を割り当て、変数がことなることで数値的な合体を回避することができるようになった。界面活性剤輸送を考慮した液膜形成の高解像度計算と良い一致が得られ、水中の多数の気泡が上昇し水面に泡沫が形成される3次元シミュレーションか可能になった。
③ ミリメートル以下の表面張力が卓越するスケールでの接触角を精度よく計算できるシミュレーション・コードを開発し、親水性から超撥水性まで精度よく計算できることを確認した。2球間の液架橋計算を行い、実験と非常に良く一致する結果を得た。また、複数の粒子から構成される系に水を滴下し、親水性である接触角が30度のときは複数の粒子間に液架橋が形成され、落下が停止することが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
全ての項目も当初の計画のスケジュールを上回る進展であり、十分な達成度である。
①では、シミュレーション性能の検証を目的とした八戸工大の実験との比較では、非常に良く一致する結果が得られ、HPCI利用研究課題優秀成果賞を受賞している。地域（岩手県岩泉町）の流木災害シミュレーションは来年以降に実施する予定であったが、前倒しで流木を含んだ計算が開始されている。派生した研究成果として、開発してきたコードは単相の流体解析にも適用でき、野球のフォークボールの空力解析のプレスリリースを行った。
②マルチ・フェーズフィールド法を二相系格子ボルツマン法と弱圧縮性気液二相流体計算の両方に導入することができた。泡沫のような複数の気泡が液膜で隔てられた計算が初めて可能になり、準安定な泡沫形成のシミュレーションができつつある。これにより、超大規模計算でした困難と思われていた液膜での粘弾性・界面活性剤のパラメータ依存性の解析を前倒しで進めることができる。
③3次元の複数粒子間液架橋の直接計算まで達成し、その大規模計算も進んでおり、計画を大幅に上回っている。表面張力が卓越する現象の解析から派生し、これまで実現が非常に困難とされていたアメンボの水面走行のシミュレーションが可能になった。
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| Strategy for Future Research Activity |
①災害が発生した地域（岩手県岩泉町）の実地形に対して、さまざまな設定条件やパラメータでシミュレーションを行い、被害状況との比較を行う。また、瓦礫や流木により建物等がどのような衝撃を受けるかを評価する。
②気泡毎に異なる識別関数を付与するマルチ・フェーズフィールド法を導入した泡沫形成のシミュレーションにおいて、気泡の分裂による液膜の発生および液膜の破断による気泡の合体などのダイナミクスに対するモデリングを行う。高解像度の詳細計算との比較によりモデリングの検証と高性能化を進める。また、液膜内の流動と物質移動の解析を進めるとともに、この計算へのAMR法の導入を引き続き行う。
③ 多数の球形粒子から成るドライな粉体に液体を滴下し、粉体内への液体の浸透をシミュレーションする。さらに攪拌等の外力を加え、液架橋のネットワーク構造がどのように変化するかを調べる。また、マクロな流体特性がどうなるかを確認し、非ニュートン性あるいは粘弾性特性のモデル化を行う。
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Research Products
(50 results)
