2017 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, 工学研究科, 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), 助手 (50372628)
大森 健史 大阪大学, 工学研究科, 助教 (70467546)
岡林 希依 大阪大学, 工学研究科, 助教 (40774162)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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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モデルとは異なる概念すなわちサブグリッド粒子粘性モデル・サブグリッド粒子輸送モデルを構想し、粒子の並進と回転による運動量と熱の直接輸送を分析してモデル化することを試みた。そこで、大規模直接数値シミュレーション（ＤＮＳ）により、素過程（特にミクロな相互作用）がマクロな熱流動に及ぼす影響について系統的に調べた。ミクロな相互作用としては、粒子間の狭隘な流路における潤滑流れの問題を重点的に扱い、データベースを構築するためのＤＮＳに反映することができた。ＤＮＳの結果として、流体とは異なる熱伝導率をもつ固体粒子を高濃度で添加すると、単相の場合には見られない振動モード、対流の反転や逆温度勾配などの特徴的な熱流動場が見いだされた。しかし現在のところ、これらのすべてを記述しうる粒子乱流モデルを構築できるまでには至っていない。その主な要因は、粒子運動により直接輸送される運動量や熱だけでなく、粒子間の接触熱伝達が無視できないことにあった。粒子間の接触熱伝達は、系全体の伝熱だけでなく、例えば上述の反転現象を引き起こして流れにも影響を及ぼすなど、当初の仮説では重視されていなかった因子である。以上の考察は、流束線によって輸送現象を特徴づける手法を開発し、伝導とともに粒子の並進や回転にともなう熱輸送を可視化して、当初の着眼点であった粒子が介在する輸送効果を明確にできた成果ではある。したがって、研究期間内に開発した流束線による輸送現象の解析手法を発展させ、期間終了後も継続的にデータ解析と粒子乱流モデルのパラメタライズを続けたい。
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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。単に多数の粒子を扱う手法ができただけでなく、粒子間の狭隘流路における潤滑流れのモデルを構築し、粒子間の接触熱伝達を表すモデルを改良することにより、質的に高い直接数値シミュレーションを実現した意義は大きいと考える。
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。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。加えて、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数値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。
一方、粒子乱流モデルの構築に対しては、当初の構想である粒子の並進運動と回転運動による直接的な輸送現象だけでなく、粒子間の接触による効果が局所的な流れパターンに影響するほどに重要であることがわかり、モデリングの枠組みを再考してＤＮＳデータの解析を継続する必要が生じ、今後の課題として残った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究計画は平成29年度で終了し、繰り越した予算で参加する日欧二相流専門家会議（平成30年4月）で最終成果を基調講演する予定である。そこでの討論を踏まえ、研究期間中に開発した流束線によって輸送現象を特徴づける手法を適用し、運動量および熱の輸送現象を粒子運動、流体の流れ、拡散や伝導、粒子と流体の界面での伝達などの要因ごとに解析を進める。必要に応じて当初の構想を見直しつつパラメタライズを進めて数理モデルを提案し、高濃度分散二相乱流に対する工学的に実用性の高いシミュレーション手法の進展に寄与したい。
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| Causes of Carryover |
平成29年度内に参加予定していた日欧二相流専門家会議の開催が平成30年4月となり、ここでの討論を学術論文のとりまとめに反映するため、これに参加して本研究の成果を中心に基調講演を行う。そのため、旅費及び参加費に相当する予算を次年度に使用する。
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