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2014 年度 実施状況報告書

粒子分散混相流れ中の自己相似性・多重スケール性に基づく粒子集団挙動の解析

研究課題

研究課題/領域番号 26420111
研究機関大阪大学

研究代表者

竹内 伸太郎  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50372628)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード混相流れ / 熱物質輸送
研究実績の概要

本年度は粒子混相流中に分散して存在する粒子が受ける力および粒子の運動に焦点を当てて研究を進めてきた。
粒子を含む流れにおいて、接近する多粒子間の潤滑問題を取り扱う数値解法を提案し、さらに熱輸送も考慮した潤滑解析へ発展させた。すでに実装を完了した粒子接触の熱抵抗モデル式とあわせて、多粒子系の混相流れにおいて粒子内部温度分布まで考慮した混相伝熱の問題を幅広く取り扱えるようになった。
開発手法の大規模問題への実装として、閉じた容器に一定温度差を与えた系における分散粒子混相流れ中の熱輸送解析を実施した。アスペクト比の大きい流路において粒子充填率を徐々に上げていくとある充填率で流れの構造に遷移が起き、見かけ上ある位相速度をもつ波動現象によって熱輸送が起こる様子を見出した。これは有限サイズ粒子を含む流れ場の運動量拡散と温度拡散のスケールの違いに起因する高濃度系における粒子集団運動であるといえ、粒子の内部温度分布および粒子間接触伝熱の効果により説明できる現象である。
物質透過膜で構成された粒子の運動に伴う物質輸送問題にも着手した。提案した数値解析手法は、膜と流体との相互作用問題に関する解析解、および膜の平行移動による濃度輸送問題について構築された解析解との比較を通じて検証された。また変形能を有する膜の表裏における溶媒および溶質の輸送問題を解く数値解法を提案し、検証のために物質輸送を伴う膜の運動について(限定された状況ではあるが)解析解を構築した。開発した数値解析手法は未だ検証段階であるが、変形する膜と流体の相互作用問題に適用し、流体との強い連成問題による膜の大変形を取り扱うことのできる手法であることを示した。

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

粒子間接触熱抵抗のモデリングにおいて特殊関数を用いたモデルをすでに構築したが、さらに粒子間の接触半径が微小とみなせる場合には三角関数によって近似する簡易モデルへ発展させることによって大幅な計算時間の短縮を行った。これにより接触熱伝達を含む混相伝熱解析は進展の見通しが良くなった。そのモデルを粒子乱流場における伝熱解析へ適用し、現象解析に基づくモデリングの段階に入っている。
一方、粒子と流体の熱伝導率比によってみられる粒子群の振動モードについては線形安定解析を進めているところであるが、解析結果が現象をうまく説明しないため、解析方法のマイナーな変更を検討している。
また交付申請書で計画前倒しの可能性について言及した粒子間潤滑問題の解析および熱輸送も含む潤滑問題は概ね順調に進み、多粒子系における検証の段階に入っている。
以上の要素技術は順調に発展しており、年次計画の後半において高濃度粒子系における二相流の数値解析に統合される予定である。

今後の研究の推進方策

多数の粒子が相対的に運動する分散粒子混相流では、接近した粒子間に形成される狭隘な領域で流体運動に関する解像度不足が問題となることが予想される。引き続き粒子間の狭隘領域における潤滑流れおよび熱輸送の検証および高精度化に取り組み、非球形粒子や変形能を有する粒子への適用を目指す。また解析手法を三次元粒子乱流場における熱輸送問題に適用し、並進・回転が制御された有限サイズ粒子を用いて熱輸送の基礎データを収集し流れの中の粒子運動と熱輸送に関するモデリングを行う。
年度後半からは、球形粒子周りの曲がった流れにおいて粒子に作用する揚力やトルクが示す、背景流れの流線曲率に関する自己相似性について理論解析に着手する。またわずかな非球形性や背景流れ場の擾乱を含む系に対する拡張を考えている。
また物質透過膜で構成された粒子の内外の流体に関する物質輸送問題について、単相流体にはみられない興味深い運動モードの可能性について検討している。この問題については手法の検証を完了させることが優先事項であるが、年度半ばの完了を目標に進め、前者の解析へ着手する。またこの解析手法についても、多粒子系への発展を意識して粒子間潤滑の手法の導入を検討している。

次年度使用額が生じた理由

予定した外国出張(11月に米国カリフォルニア州で開催されたAmerican Physics Society Division of Fluid Dynamics)を、学内業務との日程重複で取りやめたため。

次年度使用額の使用計画

5月に米国ニュージャージー州で開催予定の 6th International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer において本研究成果の発表が受理されたので、その出張旅費として充当する。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] A numerical method for mass transfer by a thin moving membrane with selective permeabilities2015

    • 著者名/発表者名
      Suguru Miyauchi, Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima
    • 雑誌名

      Journal of Computational Physics

      巻: 284 ページ: 490-504

    • DOI

      10.1016/j.jcp.2014.12.048/

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 平板上に設置された弾性柱群と乱流の相互作用の数値シミュレーション2014

    • 著者名/発表者名
      花輪理徳, 山田暁, 宮内優, 竹内伸太郎, 梶島岳夫
    • 雑誌名

      ながれ

      巻: 33-6 ページ: 513-517

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fixed-mesh approach for different dimensional solids in fluid flows: application to biological mechanics2014

    • 著者名/発表者名
      Suguru Miyauchi, Azusa Ito, Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima
    • 雑誌名

      Journal of Mechanical Engineering and Sciences

      巻: 6 ページ: 818-844

    • DOI

      10.15282/jmes.6.2014.9.0079

    • 査読あり
  • [学会発表] Computational study of heat transfer in particle-laden flow considering temperature gradient within particles and inter-particle lubrication2015

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Harada, Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima
    • 学会等名
      Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow 2015
    • 発表場所
      Busan, Korea
    • 年月日
      2015-11-22 – 2015-11-24
    • 国際学会
  • [学会発表] Direct numerical simulation of heat transfer in shear flow of liquid-solid two-phase media2015

    • 著者名/発表者名
      Takeo Kajishima and Shintaro Takeuchi
    • 学会等名
      European-Japanese Two-Phase Flow Group Meeting
    • 発表場所
      Zermatt, Switzerland
    • 年月日
      2015-10-11 – 2015-10-15
  • [学会発表] Numerical simulation of heat transfer in shear flow of liquid-solid two-phase media by immersed solid approach2015

    • 著者名/発表者名
      Takeo Kajishima, Katsuya Kondo, Shintaro Takeuchi
    • 学会等名
      ASME-JSME-KSME Joint Conference on Fluids Engineering 2015
    • 発表場所
      Seoul, Korea
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] DNS analysis of the interaction between turbulent flow and elastic fibers implanted on a flat plate2015

    • 著者名/発表者名
      Toshinori Hanawa, Suguru Miyauchi, Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima
    • 学会等名
      Ninth International symposium on turbulence and shear flow phenomena
    • 発表場所
      Melbourne, Australia
    • 年月日
      2015-06-30 – 2015-07-03
  • [学会発表] Deflection of the wake of a particle in sheared ambient flows2015

    • 著者名/発表者名
      Toshiaki Fukada, Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima
    • 学会等名
      International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows
    • 発表場所
      Stockholm, Sweden
    • 年月日
      2015-06-16 – 2015-06-18
    • 国際学会
  • [学会発表] Heat transfer in particle-dispersed two phase flows considering temperature gradient within the particles2015

    • 著者名/発表者名
      Shintaro Takeuchi, Takaaki Tsutsumi and Takeo Kajishima
    • 学会等名
      6th International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer
    • 発表場所
      New Jersey, USA
    • 年月日
      2015-05-25 – 2015-05-29
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical study of heat transfer problems in two-phase flows involving temperature distribution within dispersed solid particles2015

    • 著者名/発表者名
      Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima
    • 学会等名
      International Conference of Computational Methods in Sciences and Enginnering
    • 発表場所
      Athens, Greece
    • 年月日
      2015-03-20 – 2015-03-23
  • [学会発表] Direct Numerical Simulation of Heat Transfer in Dispersed Solid-Liquid Two-Phase Flow2014

    • 著者名/発表者名
      Takeo Kajishima and Shintaro Takeuchi
    • 学会等名
      The Tenth Asian Computational Fluid Dyanamics Conference
    • 発表場所
      Jeju, Korea
    • 年月日
      2014-10-19 – 2014-10-23
    • 招待講演
  • [学会発表] Numerical simulation of the interaction between a spherical particle and curved background fows2014

    • 著者名/発表者名
      Toshiaki Fukada, Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima
    • 学会等名
      2nd International Conference on Numerical Methods in Multiphase Flows
    • 発表場所
      Darmstadt, Germany
    • 年月日
      2014-06-30 – 2014-07-02
  • [学会発表] 粒子分散混相流中における熱伝達の数値シミュレーション2014

    • 著者名/発表者名
      竹内伸太郎
    • 学会等名
      第21回LBM研究会
    • 発表場所
      京都大学・桂キャンパス
    • 年月日
      2014-06-27 – 2014-06-27
    • 招待講演

URL: 

公開日: 2016-05-27  

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