2021 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)
高木 知弘 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (50294260)
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)
松下 真太郎 東京工業大学, 工学院, 助教 (20883036)
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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 / 泡沫 / 液架橋 / AMR / 弱圧縮性流体計算 |
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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 八戸工大の循環水路での実験に対する検証計算では、模擬流木が捕捉され流路が狭くなり、滝のように流れる様子が再現でき、さらに1本の模擬流木が滝つぼに捕捉されるところまで実験とシミュレーションが一致する結果を得た。岩手県岩泉町乙茂地区の2016年風10号による洪水氾濫に対し、920m×280mの範囲の実地形を元に最細20cm格子を用いる大規模シミュレーションを実施した。1000本と2000本の流木を氾濫領域に流入させ、その捕捉や流れへの影響評価を開始した。
② 液膜のダイナミクスを解析するための詳細なシミュレーションにおいて、流体力学的には時間とともに液膜内部の流量が減少することにより薄膜化し液膜が表面張力により破断するはずであるが、数値計算が原因のSpurious Current の影響が大きく、これを大幅に低減する計算手法の導入が必要であることが分かった。マルチ・フェーズフィールド法による泡沫形成のシミュレーションでは、攪拌などにより分裂した気泡の数値計算が原因の再合一を阻止する計算手法の開発を進めた。また、熱輸送を考慮する気液二相流シミュレーションに着手した。
③ 水分を含んだ粉体の流動特性を解析するため、粒子間の液架橋を気液二相流として直接計算するシミュレーションを進めた。容器内の下方に水分を含んだ125個の粒子がパッキングして配置し、加振を模擬した加速度を周期的に与える計算を行った。時間とともに液架橋の範囲が広がることを確認した。また、液架橋が形成されている粒子間において、粒子間距離が近づいた時に作用する潤滑力を検討した。
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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
全ての項目で当初の計画通り進展している。
①研究計画通り、実災害として岩手県岩泉町乙茂地区の2016年風10号による洪水氾濫のシミュレーションを実施することができた。実地形と実際の建物を設定した多数の流木を含んだ河川氾濫の大規模計算を進めることができ、災害状況との比較を進めている。
②研究当初は考えていなかったマルチ・フェーズフィールド法を泡沫形成のシミュレーションに導入し、さらに気液界面に適合するAMR計算を進めている。
③水分を含んだ複数粒子に対し、当初計画の攪拌に代わり加振を模擬した加速度を周期的に加える計算を行い、液架橋分布の時間的な変化を調べている。また、攪拌も予備計算を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
① 当初計画の九州北部防雨災害（平成29年）は情報が少ないため、別の場所の河川氾濫を対象とする。また、広域の河川氾濫のリアルタイム・シミュレーションを2次元浅水波方程式モデルに基づいて構築することを検討する。流木捕捉の防護工については、前倒しで検討する。
② 当初計画通り、泡沫の生成・崩壊計算、液膜中の流動による液膜薄化と表面張力、界面活性剤効果の関係を明らかにする。
③ 当初計画通り、大規模計算による水分の少ないスラリーのマクロな流動特性、非ニュートン性を明らかにする。
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Research Products
(62 results)
