固体粒子群を含む流れ場での乱流輸送過程のモデル化に関する研究

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06231215
• 研究機関: 慶応義塾大学
• 研究代表者: 前田 昌信 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (90051466)
• 研究分担者: 菱田 公一 慶應義塾大学, 理学部, 助教授 (40156592)
• キーワード: 混相流 / 乱流構造 / 画像処理流速計 / 二相乱流モデル

研究概要

二相乱流場での固体粒子群による乱流構造の変化に伴う乱れの生成及び散逸過程の解明は、二相乱流モデルの構築に必要不可欠である。本研究では、単純な流れ場に対して画像処理流速計(PIV)によるデータベースを構築しつつ、二相乱流モデルを系統的に再検討し、粒子相対速度、粒子局所体積分率及び粒子後流によるエネルギ再分配モデルの再構築を行うことを目的としている。本年度は、固液二相流の平行平板間乱流においてPIVによる計測を行い、詳細な情報から複数のタイムスケールに基ずく新たな二相乱流モデルの構築を行った。
粒子径が乱流場の最小スケールであるコルモゴロフスケールより比較的大きい場合、流れ場の乱れは増加する。一方、粒子径がコルモゴロフスケールより小さい場合、乱れは減少する。粒子介在による流れ場のスペクトル分布より、乱れが増加する場合、低波数及び高波数領域のエネルギが増加し、乱れが減少する場合、高波数領域のエネルギのみが増加することがわかった。高波数領域のエネルギ増加は、固体粒子によるエネルギ消散に起因している。これは過去の実験事実とも一致している。低波数領域のエネルギ増加は、粒子径がコルモゴロフスケールより比較的大きい粒子群がクラスタ状になることにより、粒子群の局所濃度分布の変動及び粒子群の後流が影響を与えることがわかった。従来の二相乱流モデルは一つのタイムスケールに基ずいており、エネルギ消散の現象、つまり乱れの減少しか表すことができない。そこで、PIVによる実験結果を基に、二つのタイムスケールを用いた二相乱流モデルを構築した。高波数領域に適用した方程式には、粒子による消散項のみを、そして、低波数領域には、粒子群の局所濃度分布の変動をモデル化して付加した。このモデルにより、固体粒子群による乱れの増加ならびに減少を的確に表すことが可能となった。固気二相流としてチャネル流及び壁面噴流を取り上げ、新たに構築された二相乱流モデルを適用した結果、固液二相流同様、乱れの増減を的確に表すことがわかった。

研究成果

• [文献書誌] Sato,Kishizawa,Hishida & Maeda: "Particle‐laden Turbulent Flow with Transverse Magnetic Field in a Vertical Channel" ASMEFED‐Vol.180,Experimental and Computational Aspects of Validation of Multiphase Flow CFD Codes. 180. 93-100 (1994)
• [文献書誌] 半澤,榊原,菱田,前田: "PIVによる固液二相管内乱流の計測" 第13回混相流シンポジウム講演論文集. 143-146 (1994)
• [文献書誌] 佐藤,菱田,前田: "固体粒子群による壁乱流構造変化のモデリング" 第13回混相流シンポジウム講演論文集. 329-332 (1994)
• [文献書誌] Hishida,Sato,Hanzawa & Maeda: "Interactions between Particle Wake and Turbulence in a Water Channel Flow (PIV measurements and modelling for turbulence modification)" Second International Conference on Multiphase Flow '95‐Kyoto.