2022 Fiscal Year Annual Research Report
多成分系－熱流動格子ボルツマン法対応の計算手法構築と燃料電池内の熱流動現象解明
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20K04284
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
瀬田 剛 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (50308699)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 数値流体力学 / ステファン・マクスウェル方程式 / 多成分系解析 / 熱流動解析 / 格子ボルツマン法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
クヌッセン数に基づくチャップマン・エンスコッグ展開の代わりに、時間刻み幅に基づくマルチスケール展開により、ステファン・マクスウェル方程式を満足する多成分系格子ボルツマン法の運動方程式の導出に成功した。本計算手法によりロシュミット・チューブにおいてアルゴンが濃度勾配に逆行するアップヒル拡散の再現に成功し、各成分のモル分率の時間変化が、FLUENTの計算結果と一致することが示された。多成分系格子ボルツマン法を用い、燃料電池内の触媒層に存在する多孔質体内の拡散現象の解析を実施したところ、同成分では拡散は安定に計算可能であったが、異成分の解析では、粒子速度が異なるため、多孔質体のような複雑な境界を有する場合には、数値的不安定性の問題が生じ、適切な解析結果を得ることが出来なかった。そのため、燃料電池内の触媒層の多孔質体のモデル化に透過係数を用いたブリンクマンモデルを適用し、更にガリレイ不変性を満足し、数値的安定性に優れたセントラルモーメント衝突則を用いた熱流動格子ボルツマン法により、多孔質体内自然対流解析を実施し、適切な速度分布と温度分布を得ることが出来た。ここで、２種類のセントラルモーメント衝突則を比較し、緩和行列のフリーパラメータの値や格子点数などを変更し、精度検証を行った結果、バルク粘性の影響を考慮したセントラルモーメント衝突則を用いることで計算精度が向上することが明確になった。本研究により、ステファン・マクスウェル方程式を満足し、多孔質体の微細な熱流動様式を格子ボルツマン法により解析し、燃料電池での化学反応で発生する熱と触媒層との問題を同時に解析するためには、分子の移動速度が異なる多成分系に対応し、かつ、温度のノイマン条件とディレクレ条件の両方に対応でき、更に、数値的安定性と解析精度に優れた境界条件に関する問題点を解決する必要性が明らかになった。
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Research Products
(5 results)
