高浮力プリュームに駆動される室内温度場、速度場、濃度場の予測手法の開発

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09450213
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 加藤 信介 東京大学, 生産技術研究所, 助教授 (00142240)
• 研究分担者: 石田 義洋 鹿島建設株式会社, 情報システム部, 主査(研究職) ; 半場 藤弘 東京大学, 生産技術研究所, 助教授 (20251473) ; 大岡 龍三 福井大学, 工学部, 講師 (90251470) ; 村上 周三 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (40013180)
• キーワード: 高浮力プリューム / 乱流モデル / LES解析 / 非等温気流

研究概要

本研究は、火災時などに建築内外で発生する「乱流浮力プリューム」により駆動される煙流動拡散性状、並びに室内の汚染質拡散の性状を高精度に解析・予測するモデルを開発することを目的としている。このような予測モデルを用いて「乱流浮力プリューム」を解析することで、火災時の煙流動制御、並びに室内空気質制御方法を提案することも可能となる。このため、上記予測モデルを開発する基礎検討として、種々の条件下における「乱流浮力プリューム」の生じる流れ場を対象とした数値解析を行い、今後開発する予測モデルの検討を行った。
(1) 火災煙を想定した流れ場の解析
先ず、火災煙を想定した対象について解析した。ここでは、簡易さから数値解析で一般に利用されるk-ε型乱流モデルと、いくつかの改良を施した修正k-εモデル(MKCO,ANK,WET)を用いた計算を各々行い、実験結果との比較を行った。解析結果より、上方への乱流熱輸送について高精度に予測するWETモデルが最も良い結果を示し、火災煙解析において、乱流熱輸送を精度良く予測する必要があることが確認された。
(2) 居住域に設置した発熱体から生じる浮力流の影響を受けた流れ場の解析
居住域内の発熱体から生じる浮力流が生じる流れ場について検討した。先ず、上記対象を模擬した精密実験模型を対象に流れ場、温度場について詳細な検討を行った。次に同対象について、最も高精度予測が可能なLarge Eddy Simulation(LES)を用いて解析し、実験との対応を検証した。解析結果より、同モデルによる解析結果と模型実験結果は、極めて良く一致し、LESが高浮力流れ場の予測に大変有効であることを確認した。
(3) 圧縮性を考慮しLESによる高精度予測手法の検討
圧縮性を考慮したLESによる高精度予測手法について検討した。先ず、正方形サーマルキャビティー内の自然対流の層流解析を行い、Boussinesq近似と低マッハ数近似による圧縮性流体の基礎式を用いた場合の解の比較から定性的な圧縮性流体の性質を検討した。次に、矩形サーマルキャビティー内の乱流状態の自然対流を対象に圧縮性LES解析を行った。解析結果より、圧縮性を考慮したLES解折手法の問題点を示すと共に、実験結果との比較により予測精度の検証を行った。

研究成果

• [文献書誌] Shinsuke Kato, Shuzo Murakami, Ryuichiro Yoshie: "Experimental and Numerical Study on Natural Convection in a Model Fire Room" ROOMVENT'96 TOKYO. Vol.3. 145-152 (1996)
• [文献書誌] Shuzo Murakami, Shinsuke Kato, Jie Zeng: "Flow and Temperature Fields Around Human Body with Various Room Air Distribution-CFD Study on Computational Thermal Manikin : Partl" ASHRAE. v.103 Pt1. 3-15 (1997)
• [文献書誌] 曽潔、村上周三、加藤信介、林立也: "数値サーマルマネキンに関する研究(その9)対流・放射連成シミュレーションによる人体表面の顕熱伝達特性の解析" 空気調和・衛生工学会学術講演会講演論文集. I. 101-104 (1997)
• [文献書誌] 曽潔、村上周三、加藤信介: "数値サーマルマネキンに関する研究(その8)対流・放射連成シミュレーションによる人体表面の顕熱伝達特性の解析" 日本建築学会大会学術講演梗概集. D-2. 659-660 (1997)
• [文献書誌] 大平昇、加藤信介、村上周三: "浮力を考慮した修正k-εモデルによるサーマルプリュームのCFD解析" 第11回数値流体シンポジウム. 209-210 (1997)
• [文献書誌] 飯塚悟、村上周三、大岡龍三、小杉茂樹: "DynamicLESによる非等温室内気流解析" 第11回数値流体シンポジウム. 171-172 (1997)
• [文献書誌] 大平昇、加藤信介、村上周三: "浮力を考慮した修正k-εモデルによるサーマルプリュームのCFD解析" 生産研究. 第50巻 第1号. 27 (1998)
• [文献書誌] 飯塚悟、村上周三、大岡龍三、小杉茂樹: "Dynamic LESによる上向き冷風吹出を持つ室内気流解析" 生産研究. 第50巻 第1号. 37 (1998)
• [文献書誌] 大平昇、加藤信介、村上周三: "浮力による安定・不安定流れへの適用を考慮した修正k-εモデル" 日本建築学会計画系論文集. 第503号. 33-38 (1998)
• [文献書誌] 曽潔、村上周三、加藤信介: "室内各種気流場における立位人体表面の対流熱伝達特性に関するCFD解析 数値サーマルマネキンに関する研究(その1)" 日本建築学会計画系論文集. 第505号. 31-38 (1998)
• [文献書誌] 佐久間健次、林立也、村上周三、加藤信介、高橋岳生、曽潔: "数値サーマルマネキンに関する研究(その10)実験・数値サーマルマネキンと実人体を用いた人体周辺微気象の検討" 日本建築学会関東支部. 317-320 (1998)
• [文献書誌] Shuzo Murakami, Shinsuke Kato, Jie Zeng: "Combined Simulation of Airflow, Radiation and Moisture Transport for Heat Release from Human Body" ROOMVENT'98. 141-150 (1998)
• [文献書誌] 富永禎秀、村上周三、持田灯、大岡龍三、飯塚悟、小杉茂樹: "Dynamic LESによる非等温室内気流解析-標準Smagorinskyモデル,Dynamic Smagorinskyモデル,Dynamic Mixedモデルの比較-" 第30回乱流シンポジウム. 191-192 (1998)
• [文献書誌] 加藤信介、曽潔、村上周三: "静穏環境下における立体人体周囲の汚染質濃度分布に関するCFD解析 数値サーマルマネキンに関する研究(その2)" 日本建築学会計画系論文集. 第509号. 21-26 (1998)
• [文献書誌] Shuzo Murakami, Shinsuke Kato, Jie Zeng: "Numerical Simulation of Contaminant Distribution Around a Modeled Human Body : CFD Study on Computational Thermal Manikim-PartII" ASHRAE. vol.104 Pt.2. (1998)
• [文献書誌] 曽潔、村上周三、加藤信介: "数値サーマルマネキンに関する研究(その13)人体表面の全熱伝達解析に基づく人体の温冷感評価" 空気調和・衛生工学会学術講演会講演論文集. II. 981-984 (1998)
• [文献書誌] 白石靖幸、村上周三、加藤信介、大岡龍三、石田義洋: "サーマルキャビティー内における圧縮性自然対流解析" 空気調和・衛生工学会学術講演会講演論文集. III. 1417-1420 (1998)
• [文献書誌] 加藤信介、村上周三、義江龍一郎: "モデル火災室における高温自然対流に関する実験-平均量の測定結果-密度変化を伴う高浮力流れの数値シミュレーションに関する研究 第4報" 日本建築学会計画系論文集. 第510号. 45-52 (1998)
• [文献書誌] 曽潔、村上周三、加藤信介: "数値サーマルマネキンに関する研究(その11)対流・放射・湿気輸送連成解析による人体表面の全熱伝達特性の検討" 日本建築学会大会学術講演梗概集. D-2. 691-692 (1998)
• [文献書誌] 佐久間健次、林立也、村上周三、高橋岳生、加藤信介、曽潔: "数値サーマルマネキンに関する研究(その12)実験・数値サーマルマネキンと実人体を用いた人体周辺微気象の検討" 日本建築学会大会学術講演梗概集. D-2. 693-694 (1998)
• [文献書誌] 小杉茂樹、飯塚悟、大岡龍三、村上周三、加藤信介: "Dynamic LESによる非等温室内気流解析(その1)冷風上向き吹出を持つ室内流れ場解析におけるSmagorinskyモデルの標準型とDynamic型の比較" 日本建築学会大会学術講演梗概集. D-2. 697-698 (1998)
• [文献書誌] 富永禎秀、持田灯、村上周三: "Dynamic LESによる非等温室内気流解析(その2)冷風水平吹出を持つ室内流れ場におけるS,DS,DMモデルの比較" 日本建築学会大会学術講演梗概集. D-2. 699-700 (1998)
• [文献書誌] 大平昇、加藤信介、村上周三: "壁減衰を考慮したWETモデルによる非等温室内気流解析" 日本建築学会大会学術講演梗概集. D-2. 685-686 (1998)
• [文献書誌] 飯塚悟、村上周三、加藤信介、大岡龍三、小杉茂樹: "Dynamic LESによる非等温室内気流解析(その2)内部に発熱体を有する閉鎖空間内流れの検討" 第12回数値流体シンポジウム. 169-170 (1998)