マルチスケール・マルチフィジックス個別要素法による粉体解析手法の開発

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K14922
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 吉田 達哉 福井大学, 学術研究院工学系部門, 講師 (20734544)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 粒状体 / 個別要素法 / 粉体工学 / 連成解析 / 有限要素法

Outline of Annual Research Achievements

個別要素法解析では粒子数が多くなるほど解析コストが増加するという問題があるため，粒子径が小さくかつ大量の粒子を解析する際は，複数の細かな粒子要素をまとめてひとつの大きな粒子要素として扱う粗視化と呼ばれる手法を用いる場合がある．これまでに提案されている粗視化の手法を粒子同士の接触や衝突の影響が大きい解析事例に適用すると，比較的小さな粗視化した要素を用いなければ粒子群の挙動を再現できない場合があり，粗視化による粒子数の低減を十分に行えない場合がある．本年度はまず，本研究における解析対象であるボールミルでも同様の現象が起こることを確認した．従来の粗視化の方法では粗視化後の粒子の運動エネルギーの総和は粗視化前よりも増加し，粒子群の運動の様子にも差異がみられた．このような解析対象においても十分に粗視化の効果が得られるモデルを構築した．これまで提案されていた手法では，解析対象の粒子群を粗視化することで本来は衝突するはずであった粗視化前の細かな粒子同士の衝突によるエネルギーの散逸が考慮できていない．そのため，粗視化手法において粗視化する前の元の粒子同士の衝突を考慮し，衝突エネルギーの散逸予測するモデルを構築した．粗視化する前の元の粒子群の密度と運動速度より衝突回数と衝突時の粒子同士の相対速度を求めることで衝突によるエネルギー散逸を予測する．予測したエネルギー散逸に基づき粗視化した粒子要素に減衰を付加することで元の粒子群の挙動を再現する．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ボールミルの個別要素法解析においてこれまでに提案されている粗視化モデルを適用すると，粗視化する前の粒子群より粗視化した粒子の方が運動速度が増加しており，粗視化前に比べて粒子要素の運動エネルギーが増加することが確認できた．粗視化する前の元の粒子同士の衝突による散逸エネルギーを粒子同士の衝突確率に基づき粗視化粒子の散逸エネルギーを求め，それをもとに人工減衰を与えることで粗視化粒子要素の運動エネルギーの増加を抑制するモデルを構築した．

Strategy for Future Research Activity

来年度は構築した粗視化モデルの検証のためのシミュレーションを行う．シミュレーションでは粗視化前後の粒子群の運動を比較し，粒子群の速度分布や運動エネルギーなどを評価指標に用いることで有効性を検証する．また，粒子の衝突により発生するボールミル壁面の振動を予測するための有限要素法の連成シミュレーションを行い，連成解析に用いた際の粗視化の有効性を検証する．さらに，粗視化した粒子要素間の熱伝導を考慮した解析を行うモデルの構築を行う．

Causes of Carryover

翌年度以降に実施予定の計測実験に先立って使用する計測機器を購入する予定だったが，機器を見直しに時間を要したため次年度使用額が生じた．