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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

液体燃料雾化分析网格粒子混合法相变模型的开发

基本信息

批准号：
20J21930
负责人：
辻村光樹
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

This study aims to develop a method for analyzing the numerical value of liquid atomization and low temperature calculation for fuel injection in a thermal engine. This method includes direct image resolution, gas lattice method (finite volume method), calculation, and two-way connection of gas and liquid. This year, the numerical analysis of liquid atomization and the improvement of air force are discussed. The surface tension is a new problem. This year, the analysis of droplet splitting number is divided into groups. Droplet diameter, lattice amplitude, air force, surface tension, etc. are used to describe droplet splitting equation (bag, multimode, sheet-thinning, catastrophic), and the number of droplets is reproduced successfully. Numerical analysis of liquid jet splitting in secondary and cross flow The spatial distribution of trajectories and droplets in front of liquid jets is qualitatively consistent under physical conditions (liquid motion ratio, We number). The wavelength and splitting pattern of liquid column surface are reproduced due to the instability of liquid column. Free surface flow analysis by particle method Existing conditions (CSF, etc.) for surface tension as pressure: STP, effects of surface tension as pressure on surface particles The pressure in spherical droplets and the prediction accuracy of the vibration period of spherical droplets are improved. The above results show the possibility of qualitative prediction of liquid fuel combustion by particle lattice method. This method contributes to the efficiency of future product development and design.