混相流の多重スケール構造に対する数値解析手法の開発

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液体中に多数の気泡や液滴・粒子を含む流れは、液体機械を始め、化学反応器、熱交換器、エンジンの燃料噴射部、汚水処理のための曝気槽など、工学上重要となるさまざまな装置で見受けられる。これらの流れにおいては、個々の気泡の表面における界面活性剤の存在など分子スケールのミクロな現象から、流れ場全体の大域的構造(マクロな構造)に到るまで、ミクロ・メゾ・マクロの様々なスケールの現象が複雑に干渉し合いながら流動構造が決定されている。本研究では、液体中に多数の気泡を含む流れに関して、より信頼できる平均化方程式モデルの構築のために必要となる知見について考察し、それらを解析するための数値計算手法を開発した。開発された数値計算手法は、特に気泡間距離を代表スケールとして持つ気泡流のメゾスケールの現象に着目し、多数の気泡や粒子群を直接計算することができる特徴を持つ。この手法により計算された気泡周りの流れ場を、気泡流のマクロ構造と関連づけるため、乱流のラージ・エディー・シミュレーションの概念に基づいてサブグリッドスケールのモデリングを行った。提案されたモデルは、従来型のモデルの問題点を克服し、精度良く流れ場を再現できることを示した。さらに本研究では、既存の分散性二相流の数値計算手法の持つ本質的な問題点を、圧力のポアソン方程式に対する境界値問題としての数学的視点から指摘し、その問題を解決するための新しい数値計算手法の提案を行った。