高濃度固気二相流中の流動現象に対する相似則モデルの開発

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高濃度固気二相流中の流動現象に対して,離散要素法(DEM)による数値解析により実際の現象をよく模擬できることが知られている.しかし計算機メモリの制約から,実装置スケールの大規模な系にこの手法を直接適用するのは不可能であり,積極的な工夫が必要となる.本研究で用いた相似則モデルとは、実際の小さな粒子からなる粒子層の流動を,より大きな仮想粒子で模擬するモデルのことを意味する.本研究では直径300μmのガラス粒子からなる流動層内の流動現象を,直径1〜6mm(実粒子の3.3〜20倍)の仮想粒子で模擬することを試みた。その結果,1mmおよび2mmの仮想粒子による計算では実際の流動現象をよく模擬できたが,4mm以上の大きさの仮想粒子では流動現象に差が見られた.この差は,流体運動の計算格子に比べて仮想粒子径が大きすぎるために空隙率に計算上のばらつきが生じることによるものであることを明らかにし,本相似則モデルでは仮想粒子の大きさを計算格子サイズの20%程度に止めておくべきであることを提案した.この範囲内であれば,相似則モデルを用いた数値計算で実際の装置で発生する気泡の大きさや上昇速度,発生頻度などをよく模擬できることが分かった.また、Geldartの粉体分類のA粒子(直径数十μm程度)からなる流動層内粒子挙動には,付着力や潤滑力などの付加的な力が大きな影響を与えることを明らかにし,本相似則モデルにもさらなる工夫が必要であることが示唆された.