混相流の多重スケール構造に対する数値解析手法の開発

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11750130
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 高木 周 東京大学, 大学院・工学系研究科, 講師 (30272371)
• キーワード: 数値計算 / 移動境界 / 気泡 / ナビエ・ストークス方程式 / 多重スケール / サブグリッドスケール / 非線形モデル / 平均化方程式

研究概要

液体中に多数の気泡や液滴・粒子を含む流れは、液体機械を始め、化学反応器、熱交換器、エンジンの燃料噴射部、汚水処理のための曝気槽など、工学上重要となるさまざまな装置で見受けられる。これらの流れにおいては、個々の気泡の表面における界面活性剤の存在など分子スケールのミクロな現象から、流れ場全体の大域的構造(マクロな構造)に到るまで、ミクロ・メゾ・マクロの様々なスケールの現象が複雑に干渉し合いながら流動構造が決定されている。本研究では、液体中に多数の気泡を含む流れに関して、より信頼できる平均化方程式モデルの構築のために必要となる知見について考察し、それらを解析するための数値計算手法を開発した。開発された数値計算手法は、特に気泡間距離を代表スケールとして持つ気泡流のメゾスケールの現象に着目し、多数の気泡や粒子群を直接計算することができる特徴を持つ。この手法により計算された気泡周りの流れ場を、気泡流のマクロ構造と関連づけるため、乱流のラージ・エディー・シミュレーションの概念に基づいてサブグリッドスケールのモデリングを行った。提案されたモデルは、従来型のモデルの問題点を克服し、精度良く流れ場を再現できることを示した。さらに本研究では、既存の分散性二相流の数値計算手法の持つ本質的な問題点を、圧力のポアソン方程式に対する境界値問題としての数学的視点から指摘し、その問題を解決するための新しい数値計算手法の提案を行った。

研究成果

• [文献書誌] 杉山和靖、高木 周、松本洋一郎: "LESによる微細粒子を含む壁面乱流の数値解析(粒子の運動に及ぼす流れのSGSモデルの効果)"日本機械学会論文集. 66・641B. 103-112 (1999)
• [文献書誌] 高木 周、杉山和靖: "気泡流・粒子流の多重スケール構造に関して"オーガナイズド混相流フォーラム講演論文集. 73-80 (1999)
• [文献書誌] 竹村文男、高木周、松本洋一郎: "壁面近傍における球形ガス気泡の上昇速度"日本機械学会論文集. B(投稿中). (2000)
• [文献書誌] Takagi,S.,Sugiyama,K. and Matsumoto,Y: "New Approach to the Modeling of SGS Structures of Disperse Multiphase Flows"Proc. of ICTAM2000. (発表予定). (2000)
• [文献書誌] Takagi,S. and Matsumoto,Y: "Contaminant Effect on the Motion of Rising Bubble"Proceedings of ASME FEDSM'00. (発表予定). (2000)
• [文献書誌] Sugiyama,K.,Takagi,S. and Matsumoto,Y: "Direct Numerical Simulation of Rising Bubbles"Proceedings of ASME FEDSM'00. (発表予定). (2000)