2020 Fiscal Year Research-status Report
Clarification of mechanism of the interaction between turbulence and solidification structure and development of prediction methods for residual stress by DNS
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20K04261
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
太田 貴士 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (10273583)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 乱流 / 液体金属 / 凝固 / 溶融 / 非ニュートン粘性流体 / 直接数値シミュレーション / データベース / 乱流モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、乱流状態で流動している溶融金属が過冷却凝固する場合に形成される凝固組織と乱流の瞬時構造との相互作用メカニズムを明らかにして、凝固組織の形成を予測する方法を構築する。さらに、凝固後に固相内部に形成される欠陥や残留応力といった材料力学的な問題が発生する要因を、流体力学の観点から調べて、乱流現象に起因する材料力学的な問題を予測と制御を実現するための知見を得ることを目指している。そして、注目している物理現象を詳細に観察できるように、数値シミュレーションの技術によって、液体の乱流現象と過冷却凝固の再現に取り組んだ。その結果、乱流の直接数値シミュレーションによって、非定常な流れにおける壁乱流の瞬時構造を再現して、同時に、フェーズフィールド法によって、液体の過冷却凝固における凝固組織の形成を再現できた。
本研究において、乱流の直接数値シミュレーションと固液相変化のためのフェーズフィールド法を組み合わせた高精度数値シミュレーションをはじめて実現できた。この結果によって、乱流の瞬時構造の中で、速度ストリークを形成する要因になっているスイープ、イジェクション現象が固液界面の温度勾配を増加、減少させて、その結果として、凝固速度が変化して、凝固組織の空間的特徴が決められていることがわかった。そして、乱流の瞬時構造の空間分布の特徴がその後に形成される凝固組織の空間的特徴を決めていることが証明された。
これまでの結果に基づいて、本研究の目標の達成のためには、凝固組織の形成を予測、制御するためには、乱流の瞬時構造の予測と制御を実現することが求められる。さらに、本研究の成果の解析と今後の発展において、流体力学の観点から材料力学の問題を解決する方法を考えることになり、さらに、マルチフィジックスのための新しい予測、制御理論の発展を合わせて、機械工学分野における新しい連携研究の必要性が示された。
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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
これまでに、乱流の直接数値シミュレーションと固液相変化を再現するフェーズフィールド法を組み合わせた高精度数値シミュレーションを実現できた。この結果、乱流状態で流動する液体が過冷却条件で凝固する様子を詳細に観察できるようになった。一般的な実験計測では実現が困難な速度ストリークと縦渦の非定常な乱流瞬時構造の可視化を実行して、同時に、凝固組織の形成過程を可視化できた。乱流瞬時構造と凝固組織の非定常な相互作用を、間接的な測定による統計的の観点だけでなく、直接的な観察によっても解析できるようになった。
非定常な乱流現象の変調と凝固組織の形成を再現する高精度数値シミュレーションの結果をまとめて時空間情報のデータベースを構築する作業を進めている。注目している物理現象の普遍的なメカニズムを明らかにするために必要な情報を得られるように、流れの条件と固液媒質の物性と熱力学的な条件を考慮して、複数の設定条件で大規模数値シミュレーションを実行する必要がある。これまでに、解析結果のデータベース管理用のファイルサーバーを稼働させて、大規模数値シミュレーションの結果を取り入れる手順を進めている。同時に、解析対象を拡大できるように、数値シミュレーションの解析手法の改良に取り組んでいる。解析手法の改良の進展に応じて、解析結果データベースの構築作業を見直す必要がある。
さらに、数値シミュレーションによる予測結果の妥当性を確認するために、研究協力者と協議して、実験計測結果と比較する手順を準備している。実験計測の制約によって、数値シミュレーションと直接的な比較は困難であるが、統計的なデータによる間接的な検証のために、凝固だけでなく、溶融の過程も含めて現象を観察するために、補助的な状況設定に基づく数値シミュレーションの追加実行が必要になっている。その実行のための準備も進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
物理現象の研究対象を拡大して、将来の予測と制御の適用範囲を広げることを目指して、数値シミュレーションの解析方法を改良することを検討する。液体金属の固液界面の界面幅を高解像度に再現できるようにするために、例えば、定量的フェーズフィールド法の導入を検討する。そのために、実験計測結果との比較を実施して、その結果の信頼性を検討して、有用性を確認する。この方法により、例えば、アルミニウムの凝固現象を解析対象として設定できることが期待できる。そして、解析結果データベースの拡充を進める。最終的に目指す予測法と制御法は特定の物性に依存しない普遍的なメカニズムに基づく手法であることが望まれることから、本研究の成果の有用性を大きくすることになる。
また、実験計測結果と比較するために、注目している物理現象の設定条件を見直すことも必要であると考える。固体金属の溶融から過冷却凝固までの過程を観察するために、補助的な位置づけとして、実験計測で想定していた設定条件の情報に基づいて、マクロ的な視点に立った追加の数値シミュレーションを実行する。このとき、溶融と凝固による固液界面の移動を想定した乱流の直接数値シミュレーションの結果を活用できるようにする。そして、実験計測結果との比較のために、研究協力者との協議を進めて、データの共有利用を実現できるようにする。
以上のように、解析方法を見直しつつ、解析結果データベースの構築を進める。研究目標である固相内の欠陥と残留応力の予測と制御のために必要なメカニズム解明を実現することを目指す。そのために、必要に応じて、機械工学分野の連携研究として、流体力学と材料力学の分野における解析結果の分析法の導入を検討する。
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| Causes of Carryover |
本年度の時点では、国内における学会講演発表の機会が限られていたために、旅費の使用計画が変更された。そのため、研究の進展を優先して、その他の項目における計算機利用料との割り当てを変更した。その結果において、特別に研究計画の見直しは必要になっていない。次年度以降に、予測法と制御法に関する成果を国際会議で発表するための経費を予定している。
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