海洋環境問題における2相流シミュレーション技術の開発

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10305074
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 宮田 秀明 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (70111474)
• 研究分担者: 鈴木 英之 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (00196859) ; 藤野 正隆 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (10010787) ; 佐藤 徹 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (30282677) ; 馬場 信弘 大阪府立大学, 工学部, 助教授 (10198947)
• キーワード: CFD / 二相流 / 物質移動 / 海洋環境 / 地球温暖化 / 気泡流 / 液滴

研究概要

環境間題において、気-液あるいは液-液の二相界面の挙動やそれを通しての物質移動が問題となることが多々ある。例えば海面では風のせん断により自由表面に波や乱れが生じ、気峻化した非線形波は崩れ、気泡を巻き込む白波となって砕ける。この際のCO_2などの物質や熱の相界面での移動は地球環境にとって重要な問題である。また温暖化防止の一案として液化CO_2の海洋隔離法が提案されている。深海中層(1000〜2000m)ではCO_2液滴は海水より密度が小さく上昇しながら溶解する。溶解したCO_2はpHを局所的に下げるため、生態系の影響を考えると希釈が重要となる。
そこで、このような問題に対しCFDを用いた二相流解析法を構築し、科学的メカニズムを解明しつつ、流体運動や物質移動を高精度に解析する。本年度の実績は以下のとおりである。
1.成層回流水槽を用いて、流れのある成層流体中での溶解する気泡プルームの挙動に関する実験を行い、気泡上昇速度・染料拡散の様子・気泡径の分布を測定し、流れのメカニズムについて推測した。
2.上記実験結果と、熱・物質移動を考慮した二相流CFD結果を比較し、CFDの検証を行った。
3.液滴スケールのシミュレーション法として、移動する非構造格子を用いた手法を開発し、単一液滴の高シュミット数流れの問題に適応し、実験式と一致する結果を得た。これにより、実験式のない個別の物質の溶解の情報を数値実験によって得ることが可能どなった。これは上記二相流CFDのサブモデルとして使用される。

研究成果

• [文献書誌] Toru Sato,Rho-Teak Jung,Shinji Abe: "Direct Simulation of Droplet Flow with Mass Transfer at Interface"J.Fluids Eng.. Vol.122,No.3. 510-516 (2000)
• [文献書誌] Toru Sato,Terumi Hama: "Numerical Simulation of LCO2 Droplet Plume in the Deep Ocean"Proc.ASME Fluids Eng.Div.Summer Meeting. FEDSM2000-11149. 1-6 (2000)
• [文献書誌] Toru Sato,Terumi Hama: "Numerical Simulation of Dilution Process in CO2 Ocean Sequestration"Proc.5th Int.Conf.On Greenhouse Gas Control Tech. B4-2. 1-6 (2000)
• [文献書誌] Rho-Teak Jung,Toru Sato: "Direct numerical simulation on single-droplet flow with mass transfer"Chem.Engng.Tech.. (In press). (2001)
• [文献書誌] Rho-Teak Jung,Toru Sato: "A numerical solver for high Schmidt number problems about a droplet by using moving unstructured mesh"Proc.ASME Fluids Eng.Div.Summer Meeting. (To appear). (2001)
• [文献書誌] 佐藤圭,佐藤徹: "成層流体中の気泡プルームの挙動に関する研究"J.Soc.Naval Archit.Jpn. (In press). (2001)