非線形流れ問題の数値シュミレーション

1987 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 62613003
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大橋 秀雄 東京大学, 工学部, 教授 (90010678)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西村 仁嗣 筑波大学, 構造工学系, 助教授 (00010819) ; 首藤 伸夫 東北大学, 工学部, 教授 (90055137) ; 南部 健一 東北大学, 高速力学研究所, 教授 (50006194) ; 木谷 勝 北海道大学, 工学部, 教授 (50001160)
• Keywords: 気泡流 / 非平衡 / 波動伝播 / 乱流 / 離散渦法 / 渦相互干渉 / エネルギースペクトル / 希薄気体流 / 蒸発・凝縮 / 成膜プロセス / 極超音速流 / 自由表面運動 / モデル化 / 砕波 / 数値シュミレーション

Research Abstract

非線形性の強い複雑な流れは, 解析的に解くことは出来ず数値シミュレーションによって解かざるを得ない. ここでは, 以下に示す流れについて数値モデルを確立するとともに計算方法を開発している. 研究実績は以下の通りである.
1)混相流:気泡流に対する方程式系並びに数値計算アルゴリズムを確立し, 翼列回りの気泡流などいくつかの例について数値シミュレーションを行った. 気液間のスリップ, 気泡の半径方向運動等により流れは大きな影響を受けるなど, その計算結果は, 気泡流の基本的な特徴を良く表していることを確認した.
2)剪断乱流:3次元離散渦法によって, 渦系と渦輪の相互干渉を求め, 交換モード, 合体モード, 遠隔作用モード, 弱相互作用モードの4種類の基本的なモードがあることを見出した. これらのモードに対するエネルギースペクトル, エンストロフィースペクトル, ヘリシティーなどの時間発展を明らかにし, 乱流における渦相互作用の素過程を考察する基礎を得ることができた.
3)希薄流:分子衝突をシミュレートする新方法(Madified Nanbu Method)の有効性を明らかにし, この方法を用いて, 成膜装置内の二次元蒸発・蒸着プロセス, 円筒形るつぼから真空中へ分子が蒸発するときの分子流束の空間分布, 極超音速希薄流中に置かれた円板の抗力と熱伝達, クライオパネルと分子流の相互干渉を解明した.
4)非線形水面波動:界面波の数値計算上の打ち切り誤差の問題を詳細に調べるとともに, 解析的に非線形界面運動を簡単な偏微分方程式によりモデル化する手法を与えた. 一方, 非線形波動の解析に向けて, Lagrange表記による方程式系の差分解を求める方式も試行した. この手法を鉛直2次元の砕波現象に応用したところ, 約5倍の粗格子でMAC法とほぼ同等の成果が得られた. 未知量を流速成分から圧力に切り換えることにより, 応用範囲の拡大と計算効率の向上を図った.

Research Products

• [Publications] 松本 洋一郎: 日本機械学会論文集B編. 53-495. 3210-3219 (1987)
• [Publications] Yoichiro Matsumoto: 16th International Symposium on Shocktubes and Waves. (1987)
• [Publications] Masaru Kiya: Fluid Dynamics Research. (1988)
• [Publications] Kenichi Nanbu: Euromech Colloquium 224---Kinetic Theory Aspects of Evaporation-Condensation Phenomena. (1987)
• [Publications] 京藤 敏達: 第1回数値流体力学シンポジウム. 307-310 (1987)
• [Publications] 西村 仁嗣: 土木学会論文集. 390/2-9. (1988)