| 研究課題/領域番号 |
26289037
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
梶島 岳夫 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30185772)
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| 研究分担者 |
竹内 伸太郎 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50372628)
大森 健史 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70467546)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 流体工学 / 混相流 / 乱流 / 粒子 / 数値シミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
高濃度分散二相乱流に対する工学的に実用性の高い数値シミュレーション手法を確立するため、低濃度系に対する従来の乱流変調モデルとは異なるサブグリッド粒子粘性モデル・サブグリッド粒子熱輸送モデルの構築を目的とした研究を開始した。本計画では、血液中の赤血球の体積率を目安として50％程度を目安に、高濃度で存在する粒子群とその間の狭隘な領域の流体による運動量、熱および物質移動の解析を実現することを目標としている。
平成26年度は、分散二相乱流の直接数値シミュレーションを実施し、流れの中で非定常に並進および回転運動する粒子群と周囲流体の相互作用、乱流場での粒子による熱輸送に関するデータ解析を計画した。同時に、高濃度粒子群を扱うための固体間狭隘流路の流動モデル、高レイノルズ数二相流における粒子周りの境界層に対する高解像度解析の手法の検討に着手した。
分散二相乱流に関しては、粒子間接触が粒子間力だけでなく伝熱に対する影響を加味して、平行平板間の自然対流による固液二相熱流動を対象に、まず二次元計算で粒子体積率や固体熱伝導率を変化させたときの傾向が適切に算出されることを確認し、三次元計算に拡張して大規模な分散二相流解析を実施するための計算の効率化を進めた。
モデル化のための素過程の解析も同時に推進した。まず、乱流場における粒子運動のモデル化のため、球形粒子の周囲流による揚力・抗力およびモーメント、さらに粒子の後流の形状に対して、渦度だけでなく流線曲率の効果を明らかにした。
また、非球形粒子や可変形粒子、高濃度や高レイノルズ数条件の扱いを可能とすべく、薄膜も含む柔軟構造物の計算領域への埋め込み、粒子間の狭隘部への潤滑方程式の解の埋め込み、任意多面体による非構造格子法、要素技術となる手法の開発もそれぞれ推進した。
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| 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
高濃度分散二相流のモデリングに用いるデータを取得するための直接数値シミュレーション技術の確立という研究計画前半の課題に対しては、二次元で56.4%, 三次元で30.8%と、均一サイズの球形剛体粒子に関しては着実に達成目標に近づいている。また、流体と異なる熱伝導性をもつ固体の混入により、伝導効果による熱伝達制御、流動抵抗による熱伝達抑制の双方が発現する広範な条件での固液二相熱伝達の解析が可能となり、既に有意義な知見に得られている。
シミュレーションの高精度化・多機能化については、本研究グループ内で同時に推進されている研究と連携して以下の各項目を検討している。固体間の狭隘な領域での流体のふるまいに対する格子解像度不足に対処するため、潤滑方程式の解を粒子間の狭隘部に埋め込む方法を作成し、近接する一対の粒子の相互作用問題で検証を行った。非球形粒子や可変形粒子に対応する手法として、柔軟構造物の移動境界を介した熱や物質の流束を精度良く表現する手法を開発した。また、任意多面体で構成される非構造格法を考案し、界面形状の再現性、移流による保存特性の検証を行い、大変形する柔軟構造物を扱う要素技術を発展させた。さらに、乱流場における粒子運動のモデル化のため、球形粒子の周囲流による揚力・抗力およびモーメントに対して、流線曲率をベースパラメーターとして統一的に整理できることを見いだし、粒子の後流の形状に対しては渦度だけでなく流線曲率の効果を明らかにした。以上の成果は、本研究計画の後半において高濃度分散二相流のシミュレーションに適宜統合される予定であるが、各要素技術の開発は概ね想定どおり進捗している。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究計画は、前半（平成26～27年度）で大規模シミュレーションの実施とデータ解析に基づきモデリングの基本的な考え方の確立、後半（平成28～29年度）で分散二相乱流のサブグリッドスケールモデルを用いた現象解析に大別される。モデルは、粒子に対しては質点モデル、乱流に対してはLarge-Eddy Simulationが想定され、粒子自身もその周りの流れもサブグリッドスケールにあるとする。したがって、この枠組みでのモデル構築に必要なデータの収集と解析を予定どおり進める。前半の2年目にあたる平成27年度は、引き続き固液二相流の直接数値シミュレーションを発展させるとともに、運動量および熱の輸送に関する固体粒子の並進と回転の効果を定量的に分析する。
固体体積率の増加とともに、固体間の狭隘な領域での流体のふるまいに対する格子解像度不足の影響が顕在化することは十分に予測され、高濃度で定量的にも信頼性の高いデータを蓄積するためには、狭隘流路の流れと伝熱に対する高精度かつ高効率な計算方法が不可欠である。狭隘部の流れに対する潤滑方程式の解を埋め込む手法については、平成26年度の研究により、十分な精度を有することが確認できているので、これを多数の粒子を含む系に実装する手段を検討する。
既にこれまでのわれわれの研究により、固液二相系では単相系には見られない伝熱機構（振動モードなど）が見いだされており、非球形粒子や可変形粒子の混入により熱および物質の移動に対して著しい影響が予想される。これらを具体的に扱うのは全体の研究計画の後半になるが、そのための要素技術の開発も着実に進展させる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
予定していた外国出張（3月に台湾、台北にて開催された18th International Conference on Finite Elements in Flow Problems）を国内行事の日程重複により取り止めたため（なお、上記国際会議には共著者が出席して研究発表を行っている）。
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| 次年度使用額の使用計画 |
国際会議（6月に韓国、釜山にて開催されるAsian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow）において本研究の成果の一部の発表が受理されたので、外国出張に充当する。
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