2013 Fiscal Year Research-status Report
高解像度４ウェイカップリングモデルによるシートフロー粒子流の内部構造の検討
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25420520
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
原田 英治 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00362450)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | シートフロー / 粒子流 |
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| Research Abstract |
シートフロー状の土砂輸送モードでは、大量の土砂が層状に高速／高濃度で輸送されるため、海浜変形に対して大きく寄与する。また、高速／高濃度の複雑な土砂輸送形態であるため、実験計測が困難であり、また数値シミュレーションの実施も難しく十分な内部構造の理解には至っていない。本研究では、シートフロー層の内部構造を粒子スケール以下の微視的視点から詳細に検討するために、実験および数値シミュレーションの実施を計画している。実験では、個々の粒子運動を詳細に捉えるためにハイスピードカメラによって撮影したシートフロー状粒子流の画像解析する予定である。また、数値シミュレーションでは、粒子運動は個別要素法を用いてラグランジュ的に追跡し、流れ場は粒子スケール以下の計算格子を用いて計算し、計算負荷は高いが、流体／粒子間及び粒子／粒子間の相互作用を考慮した4wayカップリング型の数値シミュレーションを実施する予定である。このうち、平成２５年度は、申請者がこれまでに開発してきたシートフロー粒子流シミュレーションのための固液混相乱流モデルで採用してきた乱流応力評価モデルの改良を実施した。具体的にはスマゴリンスキーモデルからダイナミックスマゴリンスキーモデルへ改良し、改良後の固液混相乱流モデルの再現性について、単一球形粒子に作用する流体力（粒子レイノルズ数と抗力係数の関係）の観点から既往の研究結果と比較し確認した。また、平成２６年度以降の研究で計画している水理実験にて使用予定の既設の実験装置の駆動部（プロペラ式の駆動システム）とアクリル板の接合部を整備し、振動流中でのシートフロー粒子流の水理実験に備えた。また、当初の予定通り、粒子追跡のために必要なハイスピードカメラと人工粒子を購入した。
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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
平成２５年度の研究実施計画では、申請者がこれまでに開発してきた4wayカップリング型の数値シミュレーションモデルの改良と、平成２６年度以降に実施する水理実験装置の整備と実験で使用するハイピードカメラおよび人工粒子を購入することになっていた。具体的に数値シミュレーションモデルの改良として、流体計算における乱流応力評価モデルの改良（スマゴリンスキーモデルからダイナミックスマゴリンスキーモデルへの改良）を実施し、既存の数値コードに組み込んだ。また、数値コードの妥当性を確認するため、一様流下に配置された単一球形粒子に作用する流体力について、粒子レイノルズ数と抗力係数の関係を既往の実験結果と比較した。なお、シミュレーション結果は既往の実験結果を良好に再現し、改良後の数値モデルの妥当性が確認された。当初、単一あるいは多数粒子群の沈降過程を対象に数値モデルを検証する予定としていたが、実験と数値シミュレーションの条件（例えば、単一粒子沈降の場合、粒子投入時にシミュレーションでは静水条件であるが実験では僅かではあるが粒子を放す動作によって振動が発生する）を合致させることが困難であったため、既往の実験結果と比較できる条件での検証に切り替えた。また、平成２６年度以降の水理実験実施の準備（ハイスピードカメラおよび人工粒子の購入）および整備（往復流発生のためのプロペラ式駆動システムおよび水路のアクリル板接合部の整備）は計画通り進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２６年度は、平成２５年度に整備した水理実験装置および準備したハイスピードカメラと人工粒子を用いて、振動流下シードフロー粒子流を対象に水理実験を実施する。閉管路中の一部に人工粒子を配置して移動床部を設置し、振動流作用下での粒子運動をハイスピードカメラで撮影し、撮影画像解析を通じて粒子移動速度分布や粒子変動速度を抽出し、さらに運動量輸送の観点から粒子運動に伴って発生する応力を推定する。ハイスピードカメラでは粒子運動を詳細に追跡するため高いフレームレートを設定することになる。また、統計的に信頼できる程度に同条件の実験を複数回繰り返すことになる。以上の理由から、解析負荷は非常に高くなることが予測される。実験画像解析における粒子追跡について、ラグランジュ追跡するかあるいはオイラー的に観測するか、いずれかの効率のよい観測方法を選択する予定である。
水理実験の進捗状況に依存するが、時間的余裕があれば、水理実験と併せて振動流下シートフロー粒子流の数値シミュレーションを実施し、水理実験結果と比較したい。
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Research Products
(1 results)
