一億個オーダーの離散粒子反応シミュレーションのためのモデルアルゴリズムとコード開発

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555205
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 堀尾 正靭 東京農工大学, 大学院・生物システム応用科学研究科, 教授 (40109301)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹田 宏 (株)アールフロー, 代表取締役(研究職) ; 桑木 賢也 岡山大学, 工学部, 講師 (80302917) ; 野田 玲治 東京農工大学, 大学院・生物システム応用科学研究科, 助手 (70303708)
• Keywords: 粉体 / 流動層 / シミュレーション / 大容量 / 離散要素法 / 代表粒子

Research Abstract

本研究は、様々な粉粒体工業プロセスにおいて、プラント規模の実用的なシミュレーションを行うことができるソフトウェア開発を目指したものである。そのため、粉粒体プロセスでの様々なトラブル要素を容易に組み込み得る離散要素法(DEM)の最大の欠点であった粒子数に起因するコンピュータ負荷の問題に対して、大容量DEMシミュレーションのための新規モデルであるSimilar Particle Assembly (SPA) modelを導出した。昨年度までにこのモデルの検証を行い、本モデルの妥当性を確認できた。本年度はさらにより現実な系に適用を広げるため、粒径分布を有する系に対する粒子-流体間相互作用力のモデル化を行った。粒径分布を考慮すると必然的に3次元計算となるが、従来、上記のコンピュータ負荷の問題からほとんどなされておらず、粒子-流体間相互作用力のモデル化もほとんどなされていなかったためである。
これまでのDEM計算においては、粒子が濃厚な場合、Ergun式、希薄な場合、Wen-Yu式が主に用いられていた。また、濃厚な場合、Ergun式からまず流体セルに働く力を求め、その後個々の粒子に働く力を分配していた。しかし、この手法では、粒径分布がある場合、各粒子への割付が極めて困難である。そこで、計算手法を修正し、まず、個々の粒子に働く力を求め、その後それが流体セル中の流体にどれだけの寄与があるかを計算する手法にした。そのために粒子濃厚時に用いるErgun式を、抵抗係数C_Dを用いたWen-Yuタイプに拡張した。この修正・拡張された粒子-流体間相互作用力を用いて粒径分布を有する系の3次元計算を行った。その結果、粒径分布がない場合、粗大粒子の流動化の特徴であるスラッギングが観察されたのに対して、粒径分布を考慮した場合、その効果によって明確なウェーク相を持つ気泡が観察された。

Research Products

• [Publications] 古川紀之, 野田玲治, 堀尾正靭, 他2名: "1個粒子の微視的力-変形特性の測定とその意味"粉体工学会夏期シンポジウム講演予稿集. 6-9 (2003)
• [Publications] Nobuyuki Tagami, Masayuki Horio: "A Computational study of Fluidized Beds with Particle Size Distribution"Proc.2^<nd> Asian Particle Technol.Symp.2003. Vol.2. 527-531 (2003)
• [Publications] Kenya Kuwagi, Hiroshi Takeda, Masayuki Horio: "The Similar Particle Assembly Model, an Approach to Giga-Scale DEM Simulation"Fluiization XI. 1-6 (2004)