| 研究課題/領域番号 |
26610119
|
|---|
| 研究機関 | 日本大学 |
|---|
研究代表者 |
小紫 誠子 日本大学, 理工学部, 准教授 (90318361)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| キーワード | 超臨界流体 / 流体計算 / 熱対流 / 超臨界二酸化炭素 / 超臨界熱水 / 計算スキーム |
|---|
| 研究実績の概要 |
前年度に構築した，高圧一定の下での超臨界熱水噴出流れの数値計算のための計算スキームを改良した．これは，エンタルピーを計算する際に値を計算空間へ変換するための変換関数を修正したもので，これにより変換関数の導関数における不連続点が取り除かれ，より安定な計算が可能となった．また，計算コードの再構築が必要となるGPUによる並列計算から，今年度導入した高性能計算機によるマルチCPUによる並列計算へと移行し，計算コードの改良や新たなモデルの導入などの拡張性を確保した．
今年度は，実験で扱われた一定圧力下での超臨界流体の流体現象に着目し，計算スキームの検証を試みた．本研究の目的である高圧一定下の超臨界熱水については実験による再現が困難であり，深海探索による実測値も現実の流れ場の解析には不十分であることから，高圧一定下の二酸化炭素中に挿入した熱線から発生する熱対流を実験解析した結果を計算スキームの検証に用いた．ここでは超臨界流体として水ではなく二酸化炭素を使用しているため，パラメータを変更し同じ計算スキームで対応した．計算を実施した結果，圧力や熱線温度が臨界点を大きく超えるような条件では，実験と同様に熱線から発生するプルームが直ちに乱れて複雑な流体構造を形成しながら上昇していく様子が再現された．すなわち，臨界点を大きく超えた超臨界状態における熱対流に関しては，本計算スキームによる計算結果が現実の流れ場と定性的に一致することを示した．これにより，同様に臨界点を大きく超えた高圧かつ高温の超臨界熱水噴出流の計算については，一定の信頼性を確認した．
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
計算の検証において，臨界点を大きく超えるような超臨界状態においては一定の信頼性が確認されたが，流体の圧力や温度が臨界点付近にある場合については計算で実験と同様の現象を捉えることができなかった．すなわち，実験では熱線から細かいプルームが多く発生し，熱線温度によって，プルームが尾を引き柱状になるあるいは尾を引かないという違いはあるものの大きく乱れることなく上昇する現象が観察されたが，計算では細かいプルームが再現されなかった．これには本計算スキームでは考慮していない界面張力の影響が関わっていると考えられ，本現象を再現するためには更なる計算スキームの改良が必要であることが判明した．また，そもそも，本来の目的である深海の超臨界熱水噴出流と，熱線から発生する小スケールの熱対流とでは注目するスケールが異なり，計算においても全く異なるスケーリングが必要であったため，スキーム検証のための計算の実行自体に本質ではない困難さが発生した．しかしながら，これにより，計算コードの高い信頼性が確保され応用に耐えうるモデルを得られたことは，今後の展開を容易にし研究の遂行の大きな動力源となることが期待される．
|
| 今後の研究の推進方策 |
本来の目的である深海の超臨界熱水噴出のような大きな乱れを伴う流れにおいては界面張力の影響は限定的と考えられるが，より高精度の計算を実現するため，前年度において再現できなかった臨界点付近での熱対流を捉えるべく界面張力の考慮を試みる．計算スキームに簡易的な界面張力のモデルを組み込み，計算スキームの検証を行い，計算の信頼性を確保する．その上で次の段階として，二重拡散対流モデルを組み込み，本研究の真骨頂となる深海の熱水噴出による物質の移流拡散の再現を試みる．二重拡散対流については過去に得た知見を活用するため，そのモデル化において特に大きな困難は想定されない．物質の移流拡散については深海探索での実測値とも照らし合わせ，数値シミュレーションのみによる超臨界熱水流れの解析を目指す．
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
研究遂行において当初計画より遅れが生じ，成果の公表が予定より少なかったためその分の助成金を次年度繰越とした．
|
| 次年度使用額の使用計画 |
平成28年度はこれまでの研究の総括として，数値実験の際に発生する大量のデータを整理保管するための計算機と記憶装置を購入予定である．さらに平成27年度に公表できなかった分を含め成果発表を行う予定であり，平成27年度から繰越した助成金を充当する計画である．同様に，国内外での学会においても発表を継続し広く意見を求め，研究をさらに進展させるべく，旅費の使用も予定している．
|
