大規模固体-流体連成シミュレーションのための数値解析アルゴリズムの開発

本年度は主に大物体を伴う固体-流体混相流のための数値解析手法の開発を行った。固体-流体混相流は多様な産業用装置に現れる流れであるため、現象の把握は学術的のみならず産業的にも非常に大きな意義を持つ。その中でも大物体を伴う固体-流体混相流は、産業用廃棄物のための流動層焼却炉など、産業的にも重要な装置に現れる流れである。固体-流体混相流では内部の現象を実験によって把握することが困難である場合が多いため、数値解析の応用が期待されている。固体-流体連成シミュレーションにおいては固相粒子を離散要素法(Discrete Element Method, 以下DEMと記す)、流体相を数値流体力学(Computational Fluid Dynamics, 以下CFDと記す)によって解析するDEM-CFD法が広く用いられている。DEM-CFD法は様々な体系で妥当性が確認されている有効な手法であるが、流体相の解析に局所体積平均化を行っているため、固相物体の大きさに制限があり、大物体を伴う固体-流体連成問題を解析することが非常に困難であった。この問題に対し、本年度の研究ではDEM-CFD法において大物体が固体相に及ぼす影響をDEM、流体相に与える影響を埋込境界法(Immersed Boundary Method)によって解析する大物体モデルの開発を行った。また、開発手法の妥当性を検証するため、開発手法によって大物体が含まれる流動層の数値解析を行い、数値解析結果を既存の実験結果と比較した。その結果、数値解析結果は実験結果と定性的、定量的によく一致しており、本研究で開発した手法により大物体を伴う固体-流体混相流を正確に模擬することができるということが示された。

本年度は主に大物体を伴う固体-流体混相流のための数値解析手法の開発を行った。固体-流体混相流は多様な産業用装置に現れる流れであるため、現象の把握は学術的のみならず産業的にも非常に大きな意義を持つ。その中でも大物体を伴う固体-流体混相流は、産業用廃棄物のための流動層焼却炉など、産業的にも重要な装置に現れる流れである。固体-流体混相流では内部の現象を実験によって把握することが困難である場合が多いため、数値解析の応用が期待されている。固体-流体連成シミュレーションにおいては固相粒子を離散要素法(Discrete Element Method, 以下DEMと記す)、流体相を数値流体力学(Computational Fluid Dynamics, 以下CFDと記す)によって解析するDEM-CFD法が広く用いられている。DEM-CFD法は様々な体系で妥当性が確認されている有効な手法であるが、流体相の解析に局所体積平均化を行っているため、固相物体の大きさに制限があり、大物体を伴う固体-流体連成問題を解析することが非常に困難であった。この問題に対し、本年度の研究ではDEM-CFD法において大物体が固体相に及ぼす影響をDEM、流体相に与える影響を埋込境界法(Immersed Boundary Method)によって解析する大物体モデルの開発を行った。また、開発手法の妥当性を検証するため、開発手法によって大物体が含まれる流動層の数値解析を行い、数値解析結果を既存の実験結果と比較した。その結果、数値解析結果は実験結果と定性的、定量的によく一致しており、本研究で開発した手法により大物体を伴う固体-流体混相流を正確に模擬することができるということが示された。