2015 Fiscal Year Research-status Report
シミュレーション技術を用いた溶融液体内に生じる乱流機構の解明と予測法の開発
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26420104
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
太田 貴士 福井大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10273583)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 乱流 / 溶融 / 非ニュートン粘性流体 / 熱対流 / 直接数値シミュレーション / ラージエディシミュレーション / データベース |
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| Outline of Annual Research Achievements |
溶融液体金属の流れを想定して、固体相から溶融しつつある境界層および固体相に凝固しつつある境界層中に生じる乱流の発生維持機構を解明して、乱流摩擦抵抗や熱伝達特性を高精度に予測するためのモデルを開発することを目指している。
前年度までの研究成果として、壁面境界から溶融および凝固する乱流境界層を再現した直接数値シミュレーションの結果をまとめて、乱流データベースを構築し、乱流の組織的構造を観察することが可能になった。また、温度変化によって粘度特性が変化する半溶融層を伴う乱流境界層を再現する直接数値シミュレーションを実現し、再現結果をまとめた乱流データベースを構築した。これらの複雑現象を含めた乱流の直接数値シミュレーションを実現するために、独自に開発した乱流の高精度直接数値シミュレーション技術を発展させた。
さらに、乱流データベースの内容を調査した結果として、固体相が溶融する際に、乱流組織構造の独自挙動によって、乱流生成が促進されて、乱流拡散効果が増大することを発見した。また、凝固する際には、凝固速度によって、乱流が再層流化する可能性があることがわかった。このことから、乱流層流遷移の予測が原理的に可能なダイナミックモデルに基づいた予測モデルを開発する必要があることを明らかにした。
半溶融層の影響を考慮した予測モデルを実現するために、独自に開発した非ニュートン粘性流体のための乱流モデルを拡張して、本流れ場への適用性を検証した。直接数値シミュレーションによる乱流データベースを用いたアプリオリテストの結果として、乱流モデルの拡張方法の有効性が示された。ただし、現時点では、実際の乱流モデルによる流れ場の安定した予測は実現されず、今後の課題となっている。
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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
当初の予定通りに、LESのスマゴリンスキーモデルを拡張する方針であれば、乱流モデルの拡張方法の有効性が示されたことから、達成度は概ね良好である。この結果に基づいて、乱流場の予測実験を実施する予定である。
しかし、一部の条件である相変化の速度が大きい凝固を伴う乱流境界層を含めて、すべての直接数値シミュレーションの成果を取り入れた乱流モデルを実現する方針とすれば、ダイナミックモデルを拡張することになる。すなわち、これまでの研究経緯から、新たな目標が追加設定された。現在のところ、過去の成果である粘度変化を考慮した乱流モデルの拡張方法をダイナミックモデルに利用できる可能性は不明である。
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| Strategy for Future Research Activity |
個別の条件で実行した直接数値シミュレーションによる乱流データベースに基づいて、スマゴリンスキーモデルを拡張する研究方針を継続する。そして、最終年度において、当初の目標であるスマゴリンスキーモデルの拡張を実現できたことをもって、研究計画を完了したものとする。
さらに、大きな凝固速度を伴う直接数値シミュレーションの結果を反映させるために、ダイナミックモデルを拡張する試みも並行して実行する。そして、今後の研究の発展のために、ダイナミックモデルを利用する可能性を証明することを目指す。
LES乱流モデルの開発と3次元流れ場における予測精度の検証のために、研究室内計算機環境と併用して、外部大型計算機センターの計算機環境を引き続き利用する。また、研究室内計算機環境では、乱流データベースの追加増強と維持管理の最適化を進める。
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| Causes of Carryover |
本年度の時点では、データベースの追加と最適化が完了していない。次年度において、引き続きデータベースの改善を継続する予定である。そのことから、解析結果の保存方法を現状のまま維持することを優先して、データ保存用ディスクの緊急の必要性が生じなかったために、データ保存用ディスクの本年度の購入を見送った。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
最終年度である次年度においては、解析データの長期保存のために、データベースの容量を考慮して、次年度の購入予定と合わせて、データ保存用ディスクを購入する予定である。
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