新しい混相乱流モデルに基づく火砕流の数値計算手法の開発と流動構造の解析

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研究代表者は、最近火砕流のような「大規模・高粒子濃度」混相乱流場へも適用可能な新しい混相乱流モデル(GAL-LES model)を開発しており、このGAL-LESモデルを火砕流へ適用し得る数値モデルへ発展させ、その数値解析に基づいて火砕流内部の流動構造を解明することを目的として研究を遂行・発展させている。今年度においては、まず、混相乱流モデルであるGAl-LESモデルの妥当性を検証するために、典型的な二相乱流場である固液及び気泡プルームに関する数値解析を実施し、既存の実験で観察されているような大規模渦構造を再現した。、また、計算結果と実験結果における平均流速分布などに関する定量的な比較を通じて、本モデルの有効性が確認された。このようなことは、火砕流上部における低濃度二相流場への適用性の検証になるものと考えられる。次に、火砕流下部に存在する高粒子濃度領域での粒子運動の物理素過程に関して、新たにモデリングし、粒子モデルであるGALモデルへ組み込むことを試みた。具体的には、粒子間衝突・接触力に関して、気体分子運動論をベースとして定式化し、粒子運動の平均速度、速度分散の再評価を行った。この粒子間力効果を取り入れたGAL-LESモデルを高濃度混相乱流場の一例である海岸漂砂の一形態であるシートフロー現象に適用した。その結果、本モデルは、同時に行こなわれた検証用実験で見られたような大規模渦の発生・発達に関する非定常プロセスを再現することに成功した。このように、本研究では、火砕流上部、下部の運動特性を合理的に反映し得る数値計算手法を開発することに成功した。