粒子法によるマルチスケール・マルチフィジックス弾性流体潤滑シミュレータの開発

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本研究では、複雑形状や剛体運動の扱いが容易で固体/液体/気体を統一的な計算原理で扱うことが可能な粒子法を採用し、転がり軸受内のマルチスケール・マルチフィジックスを考慮可能な弾性流体潤滑シミュレータを世界に先駆けて開発する。これにより軸受内全体の潤滑剤挙動を把握・制御し、省資源・省エネ化に資する軸受設計・運用方法の提案を実現する。本年度は当初計画通り以下の2サブテーマに注力して研究を進めた。①数値計算手法の構築(1) 剛体-流体連成計算手法の改良：軸受内の転動体等機構部品の6自由度運動と潤滑剤挙動の相互干渉を考慮可能とするため、潤滑面が剛体面の場合の流体-剛体連成解析手法を再構築した。従来は流体計算にMPS法を使用していたが、角運動量保存が満たされない問題があった。そこで運動量保存、角運動量保存、熱力学的第二法則等の物理法則を満たすMoving Particle Hydrodynamics method（MPH法）を新たに流体計算に採用した。剛体計算には回転運動方程式と剛体姿勢を表現するクオータニオンの時間発展式を採用する形は踏襲し、従来のPassively Moving Solid（PMS）モデルに基づく流体-剛体連成解析手法を再構築した。転がり円筒を使った流体潤滑実験を対象とした検証解析を改めて実施し、転がり円筒の停止過程を定量的に再現した。②物理数学モデルの構築(1) 負圧計算の実現：軸受内では摺動部下流の拡大流路形状において周囲圧力より圧力が低下する負圧が発生し、その程度が大きいとキャビテーションが発生する場合がある。本年度は、粒子法が従来苦手とする負圧の計算を実現した。具体的には、前述のMPH法を採用し、Two-potential表面張力モデルを導入することで実現した。構築した手法はくさび膜および絞り膜の基礎検証問題で定量的に負圧を計算できることを確認した。