2015 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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| 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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| Outline of Annual Research Achievements |
シートフロー漂砂の内部構造の理解を目的として，粒子スケールの数値シミュレーションを実施するとともに，その再現性を確認するため水理実験を実施する．具体的に数値シミュレーションでは，個別要素法（DEM）による粒子運動解析と，粒子周りの乱流構造を粒子スケールよりも細かい解像度で捉えることが可能なLarge Eddy Simulation（LES）をカップリングしたLES-DEMによる固液混相乱流モデルを用いる．また，LES-DEMの再現性を確認するため，人工粒子を用いた移動床でのシートフロー状の粒子流を対象に水理実験を実施し，高速度ビデオカメラによる撮影によって得られる画像のPIV解析から，シートフロー層の粒子群挙動について高さ方向の平均移動速度および平均変動速度の分布を計測する．粒子群の運動に関して，数値シミュレーションの実験に対する再現性が確認できた後，実験計測し難いシートフロー層の内部構造について計算力学的観点からアプローチし，応力構造について検討することを目的とする．平成25年度は，Standard Smagorinsky Model （SSM）に代わりDynamic Smagorinsky Model （DSM）を申請者らがこれまでに開発してきた固液混相乱流モデル（LES-DEM）に取り入れ，局所的な乱流構造の再現に対する改良を図った．また，既往実験結果との比較よりその妥当性について定性的な観点から検討した．平成26年度は，改良した固液混相乱流モデルの妥当性を定量的に検討するため水理実験の実施し，粒子流動層の内部構造について考察した．統計的に信頼できる実験データを抽出するため，平成27年度は継続して水理実験を実施し，PIV解析から得られた粒子群の平均移動速度の鉛直分布とのLES-DEMの定量比較からDEMの計算に必要となるモデルパラメータを設定した．
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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
理由：水理実験を実施した後，撮影した画像のPIV解析より振動流中の多数粒子の移動速度や変動速度の抽出には時間を要すること，また，統計的に信頼できる実験結果を得るには多数の試行回数が必要である．平成26年度に水理実験は開始しているが，十分な試行回数の実験を実施できなかったため，当初の研究計画に沿って平成27年度も継続して水理実験を実施し，数値シミュレーション結果との比較するための基本データとなる鉛直方向の平均移動速度分布と平均変動速度分布を抽出した．また，LES-DEMによる固液混相乱流シミュレーションを実施し，DEMの計算に必要となるモデル定数のチューニングを行った．これまで，半周期平均漂砂量に関する漂砂量式との比較によって，平均的な粒子挙動の観点からDEMのモデル定数のチューニングを実施してきたが，本研究では，粒子群の平均移動速度，平均変動速度の鉛直分布の観点からチューニングを実施した．数値シミュレーションは実験結果を概ね良好に再現したことから，当初の計画どおり研究を進めていると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
年度（平成28年度）は研究計画の最終年となる．平成25年度には，申請者らが開発を進めてきた固液混相乱流モデルに，局所的な乱流構造の再現性の向上を目指し，Dynamic Smagorinsky Model（DSM）を従前のStandard Smagorinsky Modelに代えて導入し，既往の実験結果との比較からその再現性について定性的観点から検討した．平成26年度には，改良した固液混相乱流モデルの再現性について定量的に検討するための水理実験を実施した．振動流下シートフロー状の粒子流を高速度ビデオカメラで撮影し，PIV解析より粒子群の平均移動速度・平均変動速度の鉛直分布を抽出し，シートフロー層の内部構造について考察した．平成27年度は，統計的に信頼できる粒子挙動のデータを得るため，継続して水理実験を実施するとともに，複数回の実験を通じて抽出されたデータとLES-DEMによる数値シミュレーション結果を比較した．またこの比較から，DEMの計算に必要となるモデル定数がチューニングされ，シートフロー層の内部構造を計算力学的に検討できる準備が整ったので，本年度（平成28年度）は，実験計測が困難であるシートフロー層の応力構造について検討し構成則を導出する予定である．また，研究成果を国内外の学会誌に投稿し，予算が許せば，冊子にまとめることを考えたい．
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Research Products
(4 results)
