| 研究課題/領域番号 |
19H00746
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分19:流体工学、熱工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
青木 尊之 東京工業大学, 学術国際情報センター, 教授 (00184036)
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| 研究分担者 |
肖 鋒 東京工業大学, 工学院, 教授 (50280912)
白崎 実 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (50302584)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2020-03-31
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| 研究課題ステータス |
中途終了 (2019年度)
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| 配分額 *注記 |
45,370千円 (直接経費: 34,900千円、間接経費: 10,470千円)
2019年度: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
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| キーワード | 液膜 / 非ニュートン性流体 / 気液二相流 / 弱圧縮性流体計算 / AMR / GPU / FENE-CRモデル / 泡沫 / 非ニュートン性気液二相流 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
気液二相流における液膜（液体自由膜）や泡沫は比較的安定であり、表面張力、粘性、非ニュートン性などの物性に強く影響され、液膜内の流動状態が大きく変わる。数値シミュレーションで解明するために、完全陽解法による弱圧縮性流体計算手法を導入し、粘弾性モデルを導入した計算を行う。さらに気液界面に細かい格子を動的に適合させるAMR法を用い、高解像度計算が必要な領域のみを細かい格子で計算する。GPUを大量に用いる液膜・泡沫の超大規模シミュレーションを実現し、マクロなスケールでの液膜や泡沫の生成・崩壊のダイナミクスの本質を解明し、液膜中の流動や熱伝達、物質拡散を明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
開発してきた2次元弱圧縮性気液二相流シミュレーション・コードを液膜・泡沫現象に適用するためにFENE-CRモデルに基づいた粘弾性流体モデルの導入し、気泡上昇に対してベンチマーク計算をよく再現する結果を得た。さらに3次元AMRコードへの拡張とGPU実装を完了させた。FENE-CRモデルの時間発展方程式を分散相側のみで解き、気相側に外挿することで計算の安定性を向上させ，複雑なトポロジー変化を含む流れへの適用性を向上させた。粘弾性モデルを導入した非ニュートン性流体中の気泡上昇計算では、気泡が気液界面に到達して生成された液膜の崩壊が、ニュートン性流体よりも遅れる結果が得られ、粘弾性効果が液膜を維持する効果があることを確かめた。
3次元計算で表面張力が液膜崩壊に与える影響を調べるために、シャボン玉形成シミュレーションを実行した。表面張力項の評価で重要となる曲率の精度を向上させるために、レベルセット関数により勾配の大きさを評価することで、識別変数として用いている低精度のPhase Field変数が液膜内部で使用されることを防ぎ、数値的液膜崩壊の一因を排除した。最も細かい格子幅が0.07825 mmとなる計算（均一格子の場合には4096×2048×2048格子相当）を実行したが、解像度不足が原因して長時間の液膜維持ができないことが明らかになった。そこで、2次元AMRコードにより高解像度化を行い必要な格子解像度を調べた結果、最小格子幅0.0195mmを用いた計算（均一8192×8192格子相当）では初期直径のt = 5.0 secまでの計算で約7.8倍まで液膜を膨張させることができ、非常に薄い液膜を含む流れの計算ができることが明らかになった。
本基盤研究(A)の内容を包含する基盤研究(S)が採択されたため、以降の研究遂行を基盤研究(S)の中で行う。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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