液体燃料の微粒化解析に向けた格子・粒子ハイブリッド手法のための相変化モデルの開発

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本研究は、熱機関（エンジン）内の燃料噴射などに応用される液体微粒化を、従来よりも低い計算コストで数値解析する手法として、「粒子・格子ハイブリッド法」を開発する研究である。本手法では、液体の変形・分裂を粒子法（MPS法）で直接解像しながら、気体を格子法（有限体積法）で計算し、液気を「空気力モデル」によって双方向連成する。本年度は、液体微粒化の数値解析をとおし、空気力モデルの改良を図った。また、表面張力モデルを新たに考案した。本年度はまず、液滴分裂の数値解析に取り組んだ。液滴径と格子幅の大小によって空気力モデルを使い分けること、後述する表面張力モデルを使用することで、液滴の分裂様式 (bag, multimode, sheet-thinning, catastrophic) を、それぞれ対応するウェーバー (We) 数下で再現することに成功した。次に、直交気流中における液体噴流分裂を数値解析した。液体噴流前面の軌道や液滴の空間分布が、幅広い物理条件（液気運動量比、 We 数）下で、実験のそれに定性的に一致した。また、レイリー・テイラー不安定に起因する液柱表面凹凸の波長、液柱の分裂様式を再現できた。並行して、粒子法による自由表面流れ解析に適する表面張力モデルを考案した。既存モデル（CSF モデル等）では表面粒子に体積力を掛けるが、本モデル（surface tension as pressure: STP モデル）では表面張力の効果を表面粒子における圧力境界条件に与えた。球形液滴内の圧力（ラプラス圧）と楕円形液滴の振動周期の予測精度が、既存モデル使用時よりも向上した。以上の成果をとおし、粒子・格子ハイブリッド法により、エンジン燃焼器における液体燃料の定性的挙動を予測できる可能性が示された。本手法は将来の製品開発・設計の効率化に貢献しうるものである。