粉体が係るマルチフィジックスシミュレーション手法の開発

• Project/Area Number: 13J09948
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nuclear engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 孫 暁松 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 粉体 / 粒子 / 流体連成 / 固気液三相流 / 複雑境界 / 数値シミュレーション / 直接数値計算 / 液架橋力 / gas-solid-liquid flow / two-phase flow / fluid-particle flow / volume-of-fluid method / discrete element method / immersed boundary method / Gas-liquid flow / Complex boundary / Level set method / Volume-of-fluid method / Immersed boundary method / Fluid-particle interaction / Discrete element method

Outline of Annual Research Achievements

本年度の研究では，主に固気液三相流の直接数値計算の手法開発と応用に取り込んでいた．研究実績の概要について報告する．
(1)固気液三相流問題の直接数値計算
固気液三相流は化学工学や原子力工学などの工学分野において重要な研究対象である．現象の解明と予測には，マイクロスケールで固気液三相流相互作用を評価できる直接数値計算(DNS)手法の開発と確立が期待されている．この問題を解決するために，著者はDEM-VOF-DNS法という固気液三相流直接計算手法を提案する．本手法では，固体粒子を離散要素法(DEM)で模擬し，流体界面の追跡にVOF法を使用した．両者は埋め込み境界(IB)法によって連成された．本手法を用いて，液面に浮遊する粒子の平衡位置や横毛管力による凝集などの問題を計算した．本計算手法について，2015年化学工学会第80年会においてポスター発表が行われ，学生賞(銅賞)も受賞した．
(2)固体粒子間液架橋力の数値計算
様々工学分野では，粉体粒子材料の湿式プロセッシングが広汎に利用される．その場合，球状粒子による固体多孔質層に液体が入り込み，粒子表面の間に架橋構造が形成される．乾燥状態に比べて，液架橋力の影響で粒子層挙動が劇的に変わってしまう．様々な条件(粒子充填率・粒子径分布・湿度など)の下で産業プロセスの予測と最適化には，固体粒子間の液架橋力のモデル式が不可欠である．典型的な固気液三相流体系である液架橋問題に対して，前述のDEM-VOF-DNS法が有力である．本研究では，球形粒子間に準静状態にある液架橋を対象として，その作用力を液架橋体積・粒子間距離・接触角などのパラメータの関数として評価し，計算結果を既存の近似式と数値解に比較検討した．本研究は2015年化学工学会第47回秋季大会において口頭発表を行った．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Numerical simulation of two-phase flows in complex geometries by using the volume-of-fluid/immersed-boundary method (2016)
  • Author(s): Xiaosong Sun, Mikio Sakai
  • Journal Title: Chemical Engineering Science Volume: 139 Pages: 221-240
  • DOI: 10.1016/j.ces.2015.09.031
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Three-dimensional simulation of gas–solid–liquid flows using the DEM–VOF method (2015)
  • Author(s): Xiaosong Sun, Mikio Sakai
  • Journal Title: Chemical Engineering Science Volume: 134 Pages: 531-548
  • DOI: 10.1016/j.ces.2015.05.059
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Lagrangian-Lagrangian coupled method for three-dimensional solid-liquid flows involving free surfaces in a rotating cylindrical tank (2014)
  • Author(s): X. Sun, M. Sakai, M. -T. Sakai, Y. Yamada
  • Journal Title: Chemical Engineering Journal Volume: 246 Pages: 122-141
  • DOI: 10.1016/j.cej.2014.02.049
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three-dimensional simulation of a solid-liquid flow by the DEM-SPH method (2013)
  • Author(s): X. Sun, M. Sakai, Y. Yamada
  • Journal Title: Journal of Computational Physics Volume: 248 Pages: 147-176
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2013.04.019
  • Peer Reviewed
• [Presentation] DEM-VOF-DNS手法による固体粒子に作用する表面張力の直接数値計算 (2015)
  • Author(s): 孫暁松
  • Organizer: 化学工学会第47回秋季大会
  • Place of Presentation: 北海道大学札幌キャンパス(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2015-09-09
• [Presentation] DEM-VOF-IB法による固気液三相流の直接数値シミュレーション (2015)
  • Author(s): 孫暁松，酒井幹夫
  • Organizer: 化学工学会第80年会
  • Place of Presentation: 芝浦工業大学，東京
  • Year and Date: 2015-03-19 – 2015-03-21
• [Presentation] VOF-IB法による気液二相流の数値解析 (2014)
  • Author(s): 孫暁松，酒井幹夫
  • Organizer: 化学工学会新潟大会2014
  • Place of Presentation: 新潟大学，新潟
  • Year and Date: 2014-11-22 – 2014-11-23
• [Presentation] 固気液三相流の数値解析のためのDEM-VOF計算手法の開発 (2014)
  • Author(s): 孫暁松，酒井幹夫，茂渡悠介
  • Organizer: 化学工学会第46回秋季大会
  • Place of Presentation: 九州大学，福岡
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-19
• [Presentation] DEM-VOF連成手法による固気液三相流れの数値解析 (2014)
  • Author(s): 孫暁松，酒井幹夫，茂渡悠介
  • Organizer: 日本混相流学会混相流シンポジウム2014
  • Place of Presentation: 道民センター，札幌
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-07-30
• [Presentation] Three-dimensional numerical simulation of solid-liquid flows involving free surfaces using the DEM-MPS method (2014)
  • Author(s): X.S. Sun, M. Sakai, Y. Yamada
  • Organizer: The 7th World Congress on Particle Technology (WCPT)
  • Place of Presentation: Beijing, China
  • Year and Date: 2014-05-19 – 2014-05-22
• [Presentation] Lagrangian-Lagrangian simulation of solid-liquid flows by the DEM-SPH method (2013)
  • Author(s): X. Sun
  • Organizer: 5^<th> Asia Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM)
  • Place of Presentation: Inter-Continental Hotel, Singapore
  • Year and Date: 2013-12-11
• [Presentation] DEM-SPH法を用いた回転円筒容器内固液混相流の3次元数値解析 (2013)
  • Author(s): 孫暁松
  • Organizer: 第19回流動化・粒子プロセッシングシンポジウム
  • Place of Presentation: 桐生市市民文化会館、群馬
  • Year and Date: 2013-11-28
• [Presentation] Hamiltonian MPS法による非圧縮性多相流の数値解析 (2013)
  • Author(s): 孫暁松
  • Organizer: 化学工学会第45回秋季大会
  • Place of Presentation: 岡山市岡山大学津島キャンパス、岡山
  • Year and Date: 2013-09-16
• [Remarks] 東京大学大学院工学系研究科酒井研究室
  • URL: http://dem.t.u-tokyo.ac.jp
• [Remarks] 東京大学酒井研究室ホームページ
  • URL: http://dem.t.u-tokyo.ac.jp/publication.html