2015 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 | 粒子混相流れ / 熱物質輸送 / 膜状構造物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
粒子混相流中における熱輸送問題に取り組んだ。昨年度構築した粒子間接触伝熱モデルも用い、全熱伝達量のうち対流・拡散・接触による効果を個別に評価できるようになった。三次元閉容器の鉛直下方向に一定の温度勾配を与えた系において有限サイズ粒子を高濃度に充填した場合に、熱対流によって引き起こされる粒子運動によって特徴的な温度分布が誘起される条件を見出した。この現象には有限サイズ粒子の内部温度分布や熱容量が本質的な影響を与えており、充填率などのパラメーターに依存した遷移問題であると同時に、容器内部における複数のスケールにわたる現象であることが明らかになりつつある。また高濃度系で粒子間接触頻度の増加に伴い、鎖状に配置した複数の粒子にわたって接触熱流束が発達する特徴的な様子をとらえた。
また本年度は固体物体まわりの流体運動を取り扱う数値解法の高精度化にも焦点を当てて研究を進めてきた。とくに直交格子を用いて固体物体まわりの非圧縮流体流を解く埋め込み境界法とよばれる数値解法において、界面近傍における支配方程式の直接離散化と速度・圧力場の整合性がとれた離散化の組み合わせが数値精度の向上に本質的であることを示した。段階を追って検証を行う上で、適当な検証課題を新規提案して流れ場の解析解を求め数値精度を示した。またこの考え方を、厚みがゼロと近似できる膜状物体まわりの流れや変形・運動する物体との相互作用問題にも拡張し、精度検証を行った。この提案手法は昨年度本課題で構築した膜と流体の運動を解く数値解法からさらに発展した手法であり、膜の大変形やそれに伴う激しい運動のような強連成問題を取り扱うことが可能となった。
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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
昨年度本課題において、粒子間距離が微小とみなせる際の潤滑解法を構築しそれを用いた解析を進めているが、粒子間距離の判定に場の量を用いた判定条件を導入することにより、大幅な判定の簡略化を実現できた。これにより、粒子混相流れの高濃度化および大規模化への見通しが明るくなった。
高精度埋め込み境界法における離散化の整合性の解決によって広い範囲の問題を扱うことが可能になった。とくに膜状構造物と流体の連成解析と昨年度実施した物質輸送モデルにより、流体中を運動する生体細胞を扱うような問題への発展が見込まれるようになった。
昨年度の「今後の研究の推進方策」で述べた、曲がった流れにおける粒子に作用する流体力のモデリングはアプローチの変更を必要としているが、別途実施した流体力のモデリングにおいて進展が見られたのでより高レベルなモデリングへの発展が期待できる。
最終年度においては、以上の数値解析要素技術と数理モデリングを統合して、高濃度粒子系における粒子集団現象の解析へ進む予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、粒子混相乱流中における熱物質輸送問題の大規模化を進める段階に入る。大型計算機に適した数値計算コードへの改編を進め、大規模な三次元粒子乱流の数値シミュレーションを実施する。特に中・高濃度系や異なる径の粒子が混在する系における流れの状態遷移や乱れの発達について調べ、乱流が粒子運動・熱輸送に及ぼす影響について統計解析を通じてモデリングを進める。同時に、非球形粒子や変形粒子を含む混相流れに適用可能な潤滑モデルの構築も進め、粒子形状や変形能が乱流や熱輸送に及ぼす影響について検討できるようにする。
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| Causes of Carryover |
計画していた外国出張（2015年11月に開催された American Physics Society, Division of Fluid Dynamics）を、別用務との日程重複で取り止めたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本年５月にイタリアで開催予定の 9th International Conference on Multiphase Flow において本研究課題の成果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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