並列計算法に基づく多成分粒子群の乱流輸送モデル開発のための基礎研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650568
• Research Institution: Kyoto university
• Principal Investigator: 牛島 省 京都大学, 工学研究科, 助教授 (70324655)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鬼束 幸樹 九州工業大学, 工学部, 助手 (20293904)
• Keywords: 固液混流相流 / 固気混流相流 / 離散要素法 / 並列計算 / 分級現象 / 二流体モデル / two-way model / 数値可視化

Research Abstract

本研究では,河川や海岸における混合粒径の土砂粒子に見られるような,乱流中に存在する数密度の高い多成分粒子群(粒径や比重などの物性値が均一でない粒子の集まり)の輸送現象,一様分散あるいは分級・偏析現象を精度良く再現できる解析手法を開発することを目的としている.
このために,昨年度は,乱流中に含まれる個々の固体粒子の運動を解析するための数値モデルと並列計算手法について考察を行った.本年度はその成果に基づき,実際にPCクラスタを用いた並列計算特性を把握するとともに,粒子パスライン等を用いた数値可視化手法を整備した.さらに,水理構造物前面に生ずる混合粒径土砂の分級堆積現象へ手法を応用した.
開発されたこの解析手法の特徴は以下のように要約される.(1)多成分粒子群を構成する各粒子に対して,3次元並進・回転運動の支配方程式を解析する個別要素法により,粒子間および粒子と境界面との接触力が正確に扱われる.(2)液相乱流場は,固相の影響を考慮した二流体モデルに基づき,その乱流モデルを導出してこれを解析モデルとしている.(3)乱流状態にある液相と粒子相との相互作用が考慮されたtwo-way modelである.(4)計算領域をサブブロックに分解する領域分割法による空間的な並列化と,液相と固相の計算を同時に進める相聞並列化という,2レベルの並列計算手法を導入し,多数の粒子を扱う高効率の計算が実行可能である.(5)領域分割法の特徴の1つである,複雑形状領域(実際の分岐水路や土砂バイパス等)への適用性が優れている.(6)粒子の分布状況や,粒径ごとの粒子のフローパターンを可視化することが可能であり,この機能により粒子の混合あるいは分級状況を把握することができる.
開発された手法を実際の水理構造物の土砂管理設計に役立てるため,本手法を水理構造物前面に生ずる混合粒径土砂の分級堆積現象へ手法を応用した.この現象を基礎的に模擬する水理実験を行い,計算結果を実験結果と比較した.その結果,水理構造物前面で発生する可能生のある分級堆積現象がほぼ適切に再現されることが示された.

Research Products

• [Publications] 牛島 省, 禰津 家久: "成分別粒子バスラインによる不均一粒子流の数値可視化"第30回可視化情報シンポジウム講演論文集. Vol.22,No.1. 267-270 (2002)
• [Publications] 牛島 省, 山田 修三, 竹村 雅樹, 禰津 家久: "急勾配ダクトのステップ前面に生ずる混合粒径粒子の分級堆積過程に関する考察"水工学論文集. 第47巻. 391-396 (2003)
• [Publications] S.Ushijima, I.Nezu: "Parallel computation and numerical visualization for non-uniform particles mixed in a rotating cylinder"Journal of Visualization. Vol.5,No.4. 323-334 (2002)
• [Publications] S.Ushijima, K.Yoshida, M.Takemura, I.Nezu: "Visualization of particle transportation predicted with liquid-solid two-way model"The 10th International Symposium on Flow Visualization (ISFV10). F0161 (2002)