2022 Fiscal Year Annual Research Report
高温固気流動層内の非球形粒子群輸送に対する数値解析手法の開発とその応用
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19K20284
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
鳥生 大祐 京都大学, 学術情報メディアセンター, 助教 (60772572)
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2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 流体・固体熱連成 / 低マッハ数圧縮性流れ / 直交格子法 / 音速抑制法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，高温固気流動層内の非球形粒子群輸送に対して粒子スケールでの数値計算を行うことを目的とし，流体の圧縮性を考慮しつつ，高温度差の低マッハ数流れと多数の任意形状粒子の連成計算に適用可能な手法について検討した．圧縮性流体の基礎方程式を用いて低マッハ数流れの計算を行う場合，計算の時間刻み幅は音速に基づくCFL (Courant-Friedrichs-Lewy) 条件に基づいて制限されるため，このCFL条件を適切に緩和する手法が高速な計算を行う上で重要となる．そこで本研究では，計算中に音速を人工的に低減することで音速に基づくCFL条件を緩和し，低マッハ数流れを完全陽解法で高速に計算可能である音速抑制法を用いることとした．特に，後述する流体・固体連成計算手法と組み合わせる際の簡便性を考慮し，Fractional Step法への音速抑制法の導入を検討した．この手法では，状態方程式を用いて密度と温度から圧力を計算する際，圧力の変化を人工的に抑制するパラメータを導入し，このパラメータを変化させて音速を調整する．また，本研究では各固体粒子の運動はLagrange的に，流体は空間に固定された単純な直交構造格子上でEuler的に計算する．流体と固体の連成計算手法としては，Direct Forcing/Fictitious Domain法などを用いた．
提案手法を用いて粒子を含む非等温流れの数値実験をいくつか行い，手法の基本的な特性を考察した．提案手法では音速抑制法を利用するが，音速を抑制するパラメータを適切に設定すれば，計算結果に与える影響を十分に小さく抑えつつ計算を高速化できることを確認した．また，100 ℃程度の比較的大きな温度差の流れによって粒子が輸送される現象を提案手法によって安定に計算できることを確認した．
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