Study on Liquid Film Dynamics and Forming and Breaking-up of Foam by using Large-scale Numerical Simulation

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開発してきた2次元弱圧縮性気液二相流シミュレーション・コードを液膜・泡沫現象に適用するためにFENE-CRモデルに基づいた粘弾性流体モデルの導入し、気泡上昇に対してベンチマーク計算をよく再現する結果を得た。さらに3次元AMRコードへの拡張とGPU実装を完了させた。FENE-CRモデルの時間発展方程式を分散相側のみで解き、気相側に外挿することで計算の安定性を向上させ，複雑なトポロジー変化を含む流れへの適用性を向上させた。粘弾性モデルを導入した非ニュートン性流体中の気泡上昇計算では、気泡が気液界面に到達して生成された液膜の崩壊が、ニュートン性流体よりも遅れる結果が得られ、粘弾性効果が液膜を維持する効果があることを確かめた。3次元計算で表面張力が液膜崩壊に与える影響を調べるために、シャボン玉形成シミュレーションを実行した。表面張力項の評価で重要となる曲率の精度を向上させるために、レベルセット関数により勾配の大きさを評価することで、識別変数として用いている低精度のPhase Field変数が液膜内部で使用されることを防ぎ、数値的液膜崩壊の一因を排除した。最も細かい格子幅が0.07825 mmとなる計算（均一格子の場合には4096×2048×2048格子相当）を実行したが、解像度不足が原因して長時間の液膜維持ができないことが明らかになった。そこで、2次元AMRコードにより高解像度化を行い必要な格子解像度を調べた結果、最小格子幅0.0195mmを用いた計算（均一8192×8192格子相当）では初期直径のt = 5.0 secまでの計算で約7.8倍まで液膜を膨張させることができ、非常に薄い液膜を含む流れの計算ができることが明らかになった。本基盤研究(A)の内容を包含する基盤研究(S)が採択されたため、以降の研究遂行を基盤研究(S)の中で行う。