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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J21930/
• 关键词: 液体微粒化; 粒子・格子ハイブリッド法; MPS法; 空気力モデル; 表面張力モデル; STPモデル; 粒子法; 数値流体力学; 気液二相流

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。

这项研究是关于开发“粒子晶体混合方法”作为液态雾化数值分析的方法，该方法以比以前低的计算成本应用于热发动机（发动机）的燃油注入。在这种方法中，使用粒子方法（MPS方法）直接解决液体的变形和分裂，而使用晶格方法（有限体积方法）计算气体，并使用“航空模型”在双向耦合液体气体。今年，我们通过液态雾化的数值分析对空气动力学模型进行了改进。还设计了一种新的表面张力模型。今年，我们首先致力于液滴拆分的数值分析。通过使用基于液滴直径和晶格宽度的大小和大小的不同空气动力学模型，并使用下面描述的表面张力模型，我们在相应的Weber（We）数字下成功地重现了液滴拆分样式（袋，多模，薄片，薄薄的，薄薄的，灾难性的）。接下来，对正交气流中的液体射流分裂进行了数值分析。液体射流前轨道和液滴的空间分布在质量上与实验在广泛的物理条件下的空间分布（液体气体动量比，我们编号）。此外，可以再现由于雷利·泰勒（Rayleigh Taylor）的不稳定性而导致的液体柱表面表面不规则的波长以及液体柱的裂变模式。同时，设计了适合通过粒子方法进行自由表面流量分析的表面张力模型。在现有的模型（CSF模型等）中，体积力施加到表面颗粒上，而在该模型（表面张力为压力：STP模型）中，表面张力的效果应用于表面颗粒上的压力边界条件。与使用现有模型相比，比较球形液滴和椭圆液滴的振动周期中压力（拉普拉斯压力）的准确性已得到提高。通过上述结果，已经表明，发动机燃烧器中液体燃料的定性行为可以通过粒子晶体混合方法来预测。这种方法可以有助于未来产品开发和设计的效率。

项目成果

空気力モデルを用いた格子法・粒子法の連成計算による消防飛行艇からの放水解析

使用耦合网格法和空气动力学模型粒子法计算消防飞行船的排水分析

• 发表时间: 2020
• 作者: 辻村光樹;窪田健一;佐藤哲也
• 通讯作者: 佐藤哲也

粒子・格子ハイブリッド法による乱流液体噴流の数値解析

使用粒子网格混合方法对湍流液体射流进行数值分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 辻村光樹;窪田健一;佐藤哲也
• 通讯作者: 佐藤哲也

Improvement of the aerodynamic model using a regression-based deep learning for solving droplet breakup phenomena

使用基于回归的深度学习改进空气动力学模型来解决液滴破碎现象

• 发表时间: 2020
• 作者: Yukari Sakano;Hiroki Tsujimura;Tetsuya Sato
• 通讯作者: Tetsuya Sato

Numerical Analysis of Aerial Firefighting Using Grid-Particle Coupling Method

网格粒子耦合法空中消防数值分析

• 发表时间: 2022
• 作者: TSUJIMURA Hiroki;KUBOTA Kenichi;SATO Tetsuya
• 通讯作者: SATO Tetsuya

粒子法と格子法の連成による液体噴流微粒化の数値解析

粒子法与网格法耦合液体射流雾化数值分析

• 发表时间: 2021
• 作者: 辻村光樹;窪田健一;佐藤哲也
• 通讯作者: 佐藤哲也