2014 Fiscal Year Research-status Report
粒子分散混相流れ中の自己相似性・多重スケール性に基づく粒子集団挙動の解析
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26420111
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
竹内 伸太郎 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50372628)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 混相流れ / 熱物質輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は粒子混相流中に分散して存在する粒子が受ける力および粒子の運動に焦点を当てて研究を進めてきた。
粒子を含む流れにおいて、接近する多粒子間の潤滑問題を取り扱う数値解法を提案し、さらに熱輸送も考慮した潤滑解析へ発展させた。すでに実装を完了した粒子接触の熱抵抗モデル式とあわせて、多粒子系の混相流れにおいて粒子内部温度分布まで考慮した混相伝熱の問題を幅広く取り扱えるようになった。
開発手法の大規模問題への実装として、閉じた容器に一定温度差を与えた系における分散粒子混相流れ中の熱輸送解析を実施した。アスペクト比の大きい流路において粒子充填率を徐々に上げていくとある充填率で流れの構造に遷移が起き、見かけ上ある位相速度をもつ波動現象によって熱輸送が起こる様子を見出した。これは有限サイズ粒子を含む流れ場の運動量拡散と温度拡散のスケールの違いに起因する高濃度系における粒子集団運動であるといえ、粒子の内部温度分布および粒子間接触伝熱の効果により説明できる現象である。
物質透過膜で構成された粒子の運動に伴う物質輸送問題にも着手した。提案した数値解析手法は、膜と流体との相互作用問題に関する解析解、および膜の平行移動による濃度輸送問題について構築された解析解との比較を通じて検証された。また変形能を有する膜の表裏における溶媒および溶質の輸送問題を解く数値解法を提案し、検証のために物質輸送を伴う膜の運動について（限定された状況ではあるが）解析解を構築した。開発した数値解析手法は未だ検証段階であるが、変形する膜と流体の相互作用問題に適用し、流体との強い連成問題による膜の大変形を取り扱うことのできる手法であることを示した。
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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
粒子間接触熱抵抗のモデリングにおいて特殊関数を用いたモデルをすでに構築したが、さらに粒子間の接触半径が微小とみなせる場合には三角関数によって近似する簡易モデルへ発展させることによって大幅な計算時間の短縮を行った。これにより接触熱伝達を含む混相伝熱解析は進展の見通しが良くなった。そのモデルを粒子乱流場における伝熱解析へ適用し、現象解析に基づくモデリングの段階に入っている。
一方、粒子と流体の熱伝導率比によってみられる粒子群の振動モードについては線形安定解析を進めているところであるが、解析結果が現象をうまく説明しないため、解析方法のマイナーな変更を検討している。
また交付申請書で計画前倒しの可能性について言及した粒子間潤滑問題の解析および熱輸送も含む潤滑問題は概ね順調に進み、多粒子系における検証の段階に入っている。
以上の要素技術は順調に発展しており、年次計画の後半において高濃度粒子系における二相流の数値解析に統合される予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
多数の粒子が相対的に運動する分散粒子混相流では、接近した粒子間に形成される狭隘な領域で流体運動に関する解像度不足が問題となることが予想される。引き続き粒子間の狭隘領域における潤滑流れおよび熱輸送の検証および高精度化に取り組み、非球形粒子や変形能を有する粒子への適用を目指す。また解析手法を三次元粒子乱流場における熱輸送問題に適用し、並進・回転が制御された有限サイズ粒子を用いて熱輸送の基礎データを収集し流れの中の粒子運動と熱輸送に関するモデリングを行う。
年度後半からは、球形粒子周りの曲がった流れにおいて粒子に作用する揚力やトルクが示す、背景流れの流線曲率に関する自己相似性について理論解析に着手する。またわずかな非球形性や背景流れ場の擾乱を含む系に対する拡張を考えている。
また物質透過膜で構成された粒子の内外の流体に関する物質輸送問題について、単相流体にはみられない興味深い運動モードの可能性について検討している。この問題については手法の検証を完了させることが優先事項であるが、年度半ばの完了を目標に進め、前者の解析へ着手する。またこの解析手法についても、多粒子系への発展を意識して粒子間潤滑の手法の導入を検討している。
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| Causes of Carryover |
予定した外国出張（11月に米国カリフォルニア州で開催されたAmerican Physics Society Division of Fluid Dynamics）を、学内業務との日程重複で取りやめたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
5月に米国ニュージャージー州で開催予定の 6th International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer において本研究成果の発表が受理されたので、その出張旅費として充当する。
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Research Products
(13 results)
