| 研究課題/領域番号 |
15H03916
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
肖 鋒 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (50280912)
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| 研究分担者 |
功刀 資彰 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40301832)
伊井 仁志 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50513016)
高田 尚樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (60357358)
山下 晋 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, その他部局等, 研究員 (80586272)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 数値流体モデル / 多相流 / 自由界面流 / 非構造格子 / 計算手法 |
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| 研究実績の概要 |
我々が独自に提案した高性能数値解法を用いることで，実用性の高い汎用非構造自由界面多相流数値モデルを開発する。並びに，複雑幾何形状を持つ流路における検証実験を行い，工学実現象に対する高度な汎用性，再現性とロバスト性を有する数値解析モデルを確立することを目的とする。それに向けて平成27年度では，次の課題を中心に研究を行った。①任意形状ハイブリッド非構造要素におけるマルチモーメント再構築補間関数を提案した。三次元要素において従来の四面体と任意六面体要素に加え，プリズム(Prism)とピラミッド(Pyramid)形状の要素に適用できる補間関数を提案した。これによって異なる形状を持つ要素で合成する複合非構造格子におけるマルチモーメント空間補間関数を構築することができ，任意形状適合格子への適用は可能になった。②任意非構造格子における圧縮性・非圧縮性流れを同じ数値解法で計算できるマッハ統一解法を開発した。VPM(Volume-average/Point-value Multi-moment)及びMCV(Multi-moment Constrained finite Volume)の2種類のマルチモーメント有限体積法による数値流体解析モデルを構築した。ベンチマークテストにより,開発されたモデルが既存の有限体積モデルに比べ，精度とロバスト性が大きく改善されたことを実証した。③任意形状の三次元格子要素における自由界面捕獲法であるTHINC(Tangent of Hyperbola INterface Capturing)法を開発した。非構造格子THINC法は幾何的再構築VOFと同等な計算精度を有し，複雑幾何形状を持つ流路における多相流のシミュレーションに大きく期待される。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
平成27年度の研究目標は，主に以下の三点を計画していた。①適合格子を含む任意形状ハイブリッド非構造格子要素におけるマルチモーメント再構築補間関数の提案。②任意非構造格子における圧縮性・非圧縮性流れを統一で計算できる数値解法の開発。③任意形状ハイブリッド非構造要素における自由界面捕獲法であるTHINC法の構築。前述の研究実績概要報告の通り，当初の研究計画を達成している。そのうち②について，任意非構造格子におけるマッハ統一解法は，圧縮性流れに対する計算精度が大幅に改善され，予想以上の成果をあげている。一部の研究成果をすでに国際英文学術誌に投稿した。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成28年度においては，VPM法とTHINC法を基軸とする多相流数値モデルを構築する。完全圧縮性または非圧縮性多相流体に対してすでにプロトタイプモデルを作成し，それぞれの計算精度や安定性を確認している。また，単相流のマッハ統一解法について，現在VPM法に基づく圧力ベース解法と密度ベース解法の両面から研究を進めている。圧力ベース解法においてAUSMリーマン・ソルバーに圧力プロジェクションによる修正を加えた統一数値モデルを完成した。一方，密度ベース解法に対して前処理による統一解法も開発した。単相流の数値検証により，これらの手法は幅広いマッハ数を持つ流れ現象においても安定且つ良好な計算結果を得ている。今後，これらのマッハ統一解法を数値フレームワークの基礎として汎用性の高い自由界面多相流モデルの確立を目指す。THINC法についてこれまでに主に異なる流体の界面追跡に用いられている。さらにその適用対象は流れに存在する他の不連続面にも拡大して行く。これによって複雑な流体構造をより高精度で捉えることにつながる。
今後，実験にあわせて物理モデルの検討を行う予定である。表面張力を含む外力の導入に関わるBalanced forceの定式化及び自由界面に関連する物理過程のモデル化を考案し，実験などによる検証を行い，改良する。平成28年度から，マイクロスケールの複雑流路内の自由界面多相流に関する実験を行い，ベンチマークデータセットを整備する。
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