粒子層内流動場の測定手法の開発と粒子層内乱流挙動の解明

• 研究課題/領域番号: 15560648
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 化工物性・移動操作・単位操作
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 三浦 隆利 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (60111259)
• 研究分担者: 青木 秀之 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (40241533)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 3,700千円 (直接経費: 3,700千円); 2005年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2004年度: 200千円 (直接経費: 200千円); 2003年度: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円)
• キーワード: 充填層 / 乱流 / 数値解析

研究概要

本研究は乱流場を形成する粒子層に対し、平均化操作を施し巨視的方程式を導出することを目的としている。まずダクト内にアクリル製の円柱群を配置することにより充填層を単純化し、円柱群内での圧力損失、流速および乱流エネルギーの測定、さらにスモークワイヤー法による流れの可視化を行い、充填層内における乱流挙動を検討した。次に円柱群内の乱流場に対して、数値解析モデルの構築を行った。乱流モデルにはk-εモデルまたはk-lmモデルを用いて、円柱群を配置した場合および円柱群を空隙率によって表現した場合について、円柱群内における乱流挙動を検討した。以下に得られた成果をまとめる。
1.圧力損失はレイノルズ数の増加に伴い増大し、レイノルズ数が一定の場合は空隙率が小さいほど増大した。
2.乱流エネルギーは円柱群への流入と同時に急激に増大するが、下流にいくに伴い一定値に漸近する傾向を示した。またレイノルズ数の増加に伴い乱流エネルギーは増大した。
3.流れの可視化より、前列の円柱間からの噴流が円柱に衝突することにより乱れが生じ、下流に流れるに従い乱れが発達する様子が観察された。しかしながら乱流渦は円柱間の空隙により制限されるため、下流域においては乱れの発達は見られなかった。
4.円柱群を配置した数値解析では、円柱群に流入すると同時に乱流エネルギーが増大し、下流にいくに伴い一定値に漸近するという実験結果と同様の傾向を示した。
5.円柱群を空隙率によって表現した数値解析では、円柱群による乱れの生成を新たに見積もった。k-lmモデルでは実験結果と同様の傾向が得られたが、混合距離の評価によって大きく解析結果が変わってしまったため、混合距離の決定法が課題となる。また、高次モデルへの展開としてk-εモデルによる数値解析を試みたが、流入条件の設定などの課題があり、今後の研究で解明していく予定である。