2016 Fiscal Year Annual Research Report
Mathematical model for the transport phenomena in dense dispersed two-phase flows
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26289037
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
梶島 岳夫 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30185772)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
竹内 伸太郎 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50372628)
大森 健史 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70467546)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 混相流 / 乱流 / 粒子 / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高濃度分散二相乱流に対する工学的に実用性の高い数値シミュレーション手法を確立するため、低濃度系に対する従来の乱流変調モデルとは異なるサブグリッド粒子粘性モデル・サブグリッド粒子熱輸送モデルの構築を目的とした研究を開始した。本計画では、血液中の赤血球の体積率を目安として50％程度を目安に、高濃度で存在する粒子群とその間の狭隘な領域の流体による運動量、熱および物質移動の解析を実現することを目標としている。
4年計画の後半に入る平成28年度は、前年度前に開発した分散二相乱流の直接数値シミュレーションを発展させ、流れの中で非定常に並進および回転運動する粒子群と周囲流体の相互作用、乱流場での粒子による熱輸送に関するデータ解析を計画した。同時に、高濃度粒子群を扱うための固体間狭隘流路の流動モデル、高レイノルズ数二相流における粒子周りの境界層に対する高解像度解析の手法の検討を進めた。
分散二相乱流に関しては、平行平板間の自然対流による固液二相熱流動を対象に、前半（平成26～27年度）に開発した手法により、当初の目標（体積率50％）を上回る高濃度分散二相流の三次元解析を実現した。
モデル化のための素過程の解析も同時に推進するとともに、full Euler的手法だけでなく、単相乱流の解像度に近い径をもつ粒子の周りの流れをモデル化することを試み、Euler-Lagrange的手法による分散二相乱流の直接数値シミュレーションの支配方程式の導出も推進した。
また、非球形粒子や可変形粒子、高濃度や高レイノルズ数条件の扱いを可能とすべく、粒子間の狭隘部への潤滑方程式の解の埋め込み、境界近傍での拡散方程式の解析解の埋め込み、任意多面体による非構造格子法などの手法開発もそれぞれ実施し、高濃度分散二相流の解析コードに組み込むための要素技術を高度化した。
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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
高濃度分散二相流のモデリングに用いるデータを取得するための直接数値シミュレーション技術の確立という研究計画前半の課題に対しては、三次元で54.7%と、均一サイズの球形剛体粒子に関しては達成目標を超えた。これにより、流体と異なる熱伝導性をもつ固体の混入にともない、伝導効果による熱伝達制御、流動抵抗による熱伝達抑制の双方が発現する広範な条件での固液二相熱伝達の解析を可能とした。さらに、固体粒子の混入率が高くなることにより、粒子どうしの接触や近接粒子間の流体膜を介した運動量および熱の伝達の影響が極めて大きくなるため、これらに対処する数値計算モデルを作成した。
シミュレーションの高精度化・多機能化については、本研究グループ内で同時に推進されている研究と連携して以下の各項目を検討してきた。固体間の狭隘な領域での流体のふるまいに対する格子解像度不足に対処するため、潤滑方程式の解を粒子間の狭隘部に埋め込む方法を作成し、高濃度分散二相流への導入を行った。また、任意多面体で構成される非構造格法を考案し、界面形状の再現性、移流による保存特性の検証を行った。さらに、高プラントル数や高シュミット数の条件に対処するため、拡散方程式の解析解を考慮した数値計算手法を開発した。一方、単相乱流に必要とされる解像度に近い粒子径を扱う方法の検討が進み、大規模または複雑形状の流れ場に適用範囲を拡大できる見通しを得た。以上、本研究計画の最終段階において高濃度分散二相流のシミュレーションに適宜統合される見込みの各要素技術の開発は順調に進捗した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究計画は、前半（平成26～27年度）で大規模シミュレーションの実施とデータ解析に基づきモデリングの基本的な考え方の確立、後半（平成28～29年度）で分散二相乱流のサブグリッドスケールモデルを用いた現象解析に大別される。モデルは、粒子に対しては質点モデル、乱流に対してはLarge-Eddy Simulationが想定され、粒子自身もその周りの流れもサブグリッドスケールにあるとする。したがって、この枠組みでのモデル構築に必要なデータの収集と解析を予定どおり進める。
研究計画の前半に実施した高濃度分散二相乱流に対する大規模な直接数値シミュレーションについては、当初の目標であった粒子体積率50％以上を達成したので、平成28年度に引き続き、大規模な数値計算を実施して乱流統計量ならびに粒子と流体の相互作用に関するデータを取得する。乱流統計量に関しては、流体だけでなく、粒子の並進運動と回転運動に伴う運動量と熱の流束を詳細に解析する。加えて、平成28年度に接触伝熱モデルを新たに大規模計算に導入したので、この効果もモデリングの項目に追加する。最終的には、大規模数値計算の結果にローパスフィルター操作を施して、本研究の対象であるサブグリッド粒子粘性やサブグリッド粒子熱輸送を定量的に明らかにし、構想するサブグリッドスケールモデルを評価する予定である。
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| Causes of Carryover |
データ記憶装置に関して、選定した機種には予算残額がやや不足したため、次年度の助成金が交付されたら合算して購入することにした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成29年度の早い時期にデータ記憶装置を購入する。
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