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2019 年度 実施状況報告書

移動床流れへのハイブリッド・アプローチ:土砂混入による変調現象の理解を目指して

研究課題

研究課題/領域番号 17K06573
研究機関静岡大学

研究代表者

横嶋 哲  静岡大学, 工学部, 准教授 (80432194)

研究分担者 音田 慎一郎  京都大学, 工学研究科, 准教授 (50402970)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワード粒子混相流 / Maxey-Riely方程式 / バセット履歴力 / 2wayカップリング / 界面捕獲法 / ACLS法 / CICSAM法
研究実績の概要

昨年度に引き続き、今年度も「(ii)開水路流れの水面変形・変動を高効率・高精度に捉えるための界面捕獲法の追求」、「(iii)浮遊砂の高精度予測のための有力法であるEuler-Lagrange法(流体運動はオイラー視点で捉え、微小粒子は質点近似された運動方程式(Maxey-Riley方程式、以下EL法)に基づいて個々の粒子運動を個別追跡)の高精度化と基本性能評価」、および「(iv)掃流砂による移動床流れ予測の高精度化」に取り組んだ。
(ii)については、昨年度までにレベルセット法系統のACLS法と、VOF法系統のCICSAM法の実装と界面移流問題における基本性能評価を概ね終えており、今年度はそれらを流体ソルバーと組み合わせ、気液混相流解析手法として両者の比較検討を行った。クーラン数を低く抑えることで、CICSAM法はACLS法に匹敵する高精度な数値予測を可能にすること、ただし表面張力が支配的な現象に対してはCICSAM法は難を有し、界面曲率の評価に特別な工夫が必要となることを確認した。
(iii)については、引き続きバセット履歴力の影響の解明に取り組み、流体より軽い粒子に対しては比重が0.7以下の場合に、バセット履歴力の影響がより顕著に認められることを新たに確認した。また、今年度は2wayカップリング(粒子も流体もお互いに影響し合う)条件下でのEL法の基本性能評価に取り組んだ。粒子比重が小さい場合にはEL法は定量的にも高精度な結果を与えるものの、粒子比重が増すにつれて顕著となる乱流変調現象を十分に再現できず、EL法に改善の余地があることを確認した。
(iv)については、3次元反砂堆の形成過程に関する数値解析を行い、結果の妥当性を確認した。多くの先行研究では鉛直2次元計算に留まるのに対して、本研究では3次元反砂堆の形状特性を概ね再現することができた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

昨年度までと比較して、いくつかの点でより実用的な条件下で検討を実施できた。具体的には、界面捕獲法について、昨年度までは移流速度が既知な場合の検討に限られていたのに対して、今年度は本来のターゲットである気液混相流現象を対象として、流体運動との連成問題としての基本性能評価を実施できた。また、微小粒子混相流解析手法であるEL法についても、粒子と流体が互いに影響し合う、2wayカップリング条件下での基本性能評価を実施できた。さらに小規模河床波である3次元反砂堆の形成過程も概ね再現できることを確認できた。

今後の研究の推進方策

本研究が目指す、高精度・高効率な巨視的移動床シミュレータの構築に関して、個々の構成要素の実装と基本性能評価、課題の把握について概ね順調に進展してきた。今後はこれらが組み合わさった場合の基本性能の把握、問題点の抽出が望まれる。移動床現象に関しては、モデルの基本性能評価に供する信頼性の高いデータが限られることがこの分野の進展を妨げる一因でもあるので、いかなるモデルにも頼らない、fully-resolvedな粒子混相流解析を自らも実施し、性能評価に必要なデータも自ら創り出す点についても作業を進めたい。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルスの感染拡大のため、参加予定の研究集会が相次いで中止となり、次年度に開催される研究集会等に参加する必要が出たため。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] 微小粒子の乱流中のクラスタ特性に対するバセット履歴力の影響2019

    • 著者名/発表者名
      横嶋 哲, 島田 佳昭
    • 雑誌名

      土木学会論文集B1(水工学)

      巻: 75(2) ページ: I_595-I_600

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 3次元反砂堆の形成過程に関する数値シミュレーション2019

    • 著者名/発表者名
      音田 慎一郎, 稲葉 良也, 細田 尚
    • 雑誌名

      土木学会論文集B1(水工学)

      巻: 75(2) ページ: I_1003-I_1008

    • 査読あり
  • [学会発表] レベルセット法とVOF法の比較検討2020

    • 著者名/発表者名
      石川 秀平, 横嶋 哲, 久末 信幸, 早瀬川 拓馬
    • 学会等名
      日本機械学会 東海支部 第69期総会・講演会
  • [学会発表] Maxey-Riley方程式に基づく微小粒子混相流予測手法の基本性能評価2020

    • 著者名/発表者名
      横嶋 哲, 森 稜一
    • 学会等名
      第23回応用力学シンポジウム
  • [学会発表] レベルセット法とVOF法の特徴比較2020

    • 著者名/発表者名
      石川 秀平, 横嶋 哲, 久末 信幸, 早瀬川 拓馬
    • 学会等名
      第23回応用力学シンポジウム
  • [学会発表] Influence of Basset history force on preferential concentration of small particles in isotropic turbulence2019

    • 著者名/発表者名
      S. Yokojima, Y. Shimada, and Y. Fujiwara
    • 学会等名
      7th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow (ASCHT 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] 微小粒子・気泡のクラスタ形成に対するバセット履歴力の影響について2019

    • 著者名/発表者名
      横嶋 哲, 島田 佳昭, 向山 和輝
    • 学会等名
      日本機械学会 第97期 流体工学部門 講演会
  • [学会発表] レベルセット法とVOF法の界面捕獲性能の比較2019

    • 著者名/発表者名
      石川 秀平, 横嶋 哲, 久末 信幸, 早瀬川 拓馬
    • 学会等名
      日本機械学会 第97期 流体工学部門 講演会

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公開日: 2021-01-27  

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