2023 Fiscal Year Research-status Report

Physical elucidation and modeling of non-locality in granular flows by full-scale discrete particle simulation

Research Project

Project/Area Number	22K03926
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	辻拓也大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (90379123)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	粉体 / 非局所性 / 離散要素法 / レオロジー / 粉体温度
Outline of Annual Research Achievements	・昨年度構築した，せん断帯形成を伴うスプリットボトムセル系を対象としたフルスケール離散粒子(DEM)モデルを用いて，広範なパラメータ空間における数値シミュレーションを実施し，マクロ－ミクロ関係について詳細な検討を行った．非局所性は，粒子レベルのミクロな因子により引き起こされると考えられる．昨年度の検討で注目した，非局所粉粒体流動度（NGF）モデルでは，粉粒体の流動性を表すスカラー状態量として流動度が導入されるが，その物理的な意味は必ずしも直接的ではなかった．本年度は，物理的意味がより明確であり，粒子の乱雑さの指標である無次元粉体温度を用いたμ（I，Θ）モデルに着目した．本研究の基盤であるμ（I）モデルは，見かけ粘度μ が慣性数 I により特長づけられる，つまりμ-Iが一対一になることを前提としているが，これは単純せん断流れに限定される．3次元複雑流れ場であるスプリットボトムセルを対象に検討を行ったところ，特に低I領域でμ-I間に一対一関係が成立しないことを確認した．一方，無次元粉体温度Θを導入したμ（I，Θ）モデルとすることにより，μΘ^α- I間 (αは係数) に明確な相関関係があることを明らかにした．・非局所粉粒体流動度（NGF）モデルやμ（I，Θ）モデルなど，本研究で検討を行っている構成関係が粉体温度に依存するモデルを実際の連続体計算で用いるには，連続体モデルでは直接得ることができない局所的な粉体温度を，何らかの方法でモデルの入力値として与える必要がある．本年度新たにニューラルネットワークを用いた機械学習モデルを構築し，スプリットボトムセル系を対象として，圧力，せん断速度，せん断応力などの局所的なマクロ状態量から粉体温度（ミクロ量）の推定を試み，概ね推定できることを確認した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason ・本研究では，粉粒体が有する非局所性発生メカニズムの詳細解明と，これをべースとした新しい粉体レオロジーモデルの構築を最終的な目的として掲げている．・μ（I，Θ）モデルの有効性と，マクロ状態量からの局所的な粉体温度の推定を行えることを確認しており，順調に進展していると判断できる．
Strategy for Future Research Activity	引き続き，非局所性を引き起こす粒子ミクロスケールでの振る舞いを特徴づける物理量の探索と，これらの時空間的な伝播についての詳細な検討を行う．また，μ（I，Θ）モデルに基づくモデリングを進める．