一億個オーダの離散粒子反応シミュレーションのためのモデルアルゴリズムとコード開発

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13555205
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 堀尾 正靭 東京農工大学, 大学院・生物システム応用科学研究科, 教授 (40109301)
• 研究分担者: 竹田 宏 (株)アールフロー, 代表取締役(研究職) ; 桑木 賢也 岡山理科大学, 工学部, 講師 (80302917) ; 野田 玲治 東京農工大学, 大学院・生物システム応用科学研究科, 助手 (70303708)
• キーワード: 粉体 / 流動層 / シミュレーション / 大容量 / 離散要素法 / 代表粒子

研究概要

粉粒体を扱う工業プロセスにおいて、開発リスクの低減のため、開発技術の事前検証や、開発中に直面した問題の要因解明等、プラント規模のシミュレーションを行うことができるシミュレーションソフトウエアが利用できるようになれば、粉体工業プロセスの飛躍的発展を促す可能性があると考えられる。しかし、粉粒体シミュレーションで有効なDEM法は、Lagrange的に粒子を追跡する手法のため、コンピュータ能力に依存する粒子数の制約を受ける。そこで、本研究ではこれまでの手法と異なり、粒子の運動方程式に着目し、そこから導かれる相似則に基づく新規モデルの導出を試みた。具体的には、対象とする層の粒子に対して、粒子を直径、密度、化学組成などが同じものを1つのグループとして考え、それぞれのグループに関して、その直径のm倍の径を有する粒子系を考える。あるグループに属する粒子とそれに対応するm倍の粒子の周りの空間配位が同じになる相似則を目指す。これを達成するため、粒子の運動方程式で粒子の運動速度が2つの系で同じになるように、m倍径の系では、粒子衝突などの計算ではm倍の径を用いるのに対して、粒子-流体間相互作用力、付着力などの粒子-粒子間相互作用力などの計算ではオリジナルの粒子径を用いるのが、本研究で導出したモデルであり、Similar Particle Assembly(SPA)modelと呼ぶ。本モデルの妥当性を検証するため、付着性粒子および2成分系(2密度)粒子流動層に対してシミュレーションを行った。モデルを用いた場合と用いない場合の比較を行い、良好な一致を得ており、本モデルの妥当性を確認し、国際会議(FLUID-PARTICLE INTERACTIONS VI(Barga, ITALY))で発表した。
より現実的なシミュレーションを目指して、粒子-流体間に働く潤滑力の効果を取り込んだモデルを構築し、微粒子から構成される流動層のシミュレーションを行った。その結果、粒子の表面粗度が流動状態に大きく影響を及ぼすことが明らかとなった。さらにポリマー重合プロセスにおける粒子粒子間相互作用の実験的検討を行い、一連の成果を別添資料の通り国内外の学会で発表した。
現在は、粒径分布を有する系や3次元など他の系に対する検証を行っている。

研究成果

• [文献書誌] Kenya Kuwagi, Hiroshi Takeda, Masayuki Horio: "Particle Assembly Scaling by the Representative Particle Model -A Novel Method for Giga-scale DEM Simulation"FLUID-PARTICLE INTERACTIONS VI(Barga, ITALY)(学会発表). (2002)
• [文献書誌] Masayuki HORIO, Reiji NODA, Hiroshi TAKEDA: "Effect of Lubrication Force on Particle Behavior in Fluidized Bed"International Cong.Particle Technol.IV(Sydney, Australia)(学会発表). 425 (2002)
• [文献書誌] 野田玲治, 堀尾正靭, 栄 徳剛, 竹田 宏: "DEMシミュレーションにおける流体潤滑力の取り扱い"第8回流動層シンポジウム講演会で発表. 386 (2002)
• [文献書誌] 桑木賢也, 竹田宏, 堀尾正靭: "代表粒子モデルによる流動層のDEMシミュレーション"第8回流動層シンポジウム講演会で発表. 398 (2002)
• [文献書誌] Masayuki Horio, Noriyuki Furukawa, Hidehiro Kamiya, Yasunobu Kaneko: "Measurement of Stress-Deformation Characteristics for a Polypropylene Particle of Fluidized Bed Polymerization for DEM Simulation"Polymer Reaction Engineering. 11・2. 203-216 (2003)
• [文献書誌] Masayuki Horio, Noriyuki Furukawa, Hidehiro Kamiya, Yasunobu Kaneko: "Measurement of Stress-Deformation Characteristics for a Polypropylene Particle of Fluidized Bed Polymerization for DEM simulation"2nd European Conference on the Reaction Engineering of Polyolefing(学会発表). 84-86 (2002)