Fundamental study on interactions between small solid particles and turbulence

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本研究課題の目的は、微小固体粒子群による乱流変調の解析に用いられる、質点近似された固体粒子と流れ場との相互作用に関する計算方法の妥当性や限界を検証することにある。第一原理に近い手法である粒子周りの流れを解像した粒子群と流れ場の相互作用の解析と、質点近似した粒子と流れ場の相互作用の解析結果を比較することで、その問題点を明らかにすることを目指している。質点近似計算においては、抗力の評価式としてストークス抵抗を仮定した解析が行われている。粒径が流れ場の計算格子間隔に比べて十分小さい場合、ストークス抵抗に含まれる流体速度の評価はさほど大きな問題にならないが、両者が同程度のオーダーになると粒子自身が与える速度場への擾乱の影響を考慮し、非擾乱速度を用いてストークス抵抗を評価する必要がある。しかしこの非擾乱速度は一意には決められず、過去に様々な手法が提案されてきた。そこで本年度はこの非擾乱速度を求める手法の一つとして提案されているHorwitz and Mani (2016)の方法をスペクトルDNS法へ適用する方法について検討を行った。擾乱速度場から非擾乱速度を推定する際に用いる係数値が、スペクトル法の計算方法ではどのような値を示すか具体的な計算を行い、その妥当性や問題点について検証を行った。その結果、得られた係数値から求めた非擾乱速度は単一粒子周りの流れから得られる理論的な予測値と矛盾しない結果が得られることが確認された。また、昨年度以前から進めてきた、Volume Penalization法を用いた有限球形粒子と乱流場の相互作用についての解析を発展させて、粒子形状が乱流変調に及ぼす影響について解析を行った。その結果、粒子群の体積分率が同じでも、粒子形状の違いによって乱流運動エネルギーの減衰に変化が生じることがわかった。