せん断力のかかる変形気液界面における乱流熱輸送

本研究では,変形界面での乱流輸送,特に変形界面を通して行われる気相・液相側乱流場の相互干渉を明らかにすることを目的とする.手法としてはCIP(Cubic-Interpolated Propagation)法と有限差分法を用いた.CIP法ではセル内部を各方向に3次多項式で補間する.本研究で用いた手法は距離関数を用いるLevel Set法とCIP法を組み合わせたもので界面位置を高精度に捕らえることができる.対象とする流れ場は2次元チャネル内での完全発達波状流である.上下境界は平滑固体壁とし,主流・幅方向には周期境界条件を用いた.気液界面位置はLevel Set法により距離関数が値ゼロを取る面として定義され,毎時刻更新される.表面張力については界面形状から界面法線・接線ベクトルおよび界面曲率を計算し,それらを用いて算出した表面張力を各セルに対する体積力として導入した.表面張力の表面垂直方向成分および接線方向成分(マランゴニ力)のモデル化の効果を見るために2次元および3次元の場合での温度勾配壁面上での液滴移動現象の計算も行い,表面張力の影響を体積力として取り扱うことの適切さを確認した.本研究の計算手法では気液界面を内部境界として扱えるので計算負荷は比較的軽いが,気液界面位置を精度良く再現するためには十分な格子数が必要となり,記憶容量・計算負荷ともに高くなる.そこでMPI(Message Passing Interface)を用いて領域分割法によるプログラムの並列化を行い,分散処理することで計算負荷軽減を行った.2次元チャネル流れの場合の計算結果では,表面張力によって界面変形が抑制される様子および気相側界面せん断力によって界面波が3次元的に発達する様子が再現された.

本研究では,変形界面での乱流輸送,特に変形界面を通して行われる気相・液相側乱流場の相互干渉を明らかにすることを目的とする.手法としてはCIP(Cubic-Interpolated Propagation)法と有限差分法を用いた.CIP法ではセル内部を各方向に3次多項式で補間する.本研究で用いた手法は距離関数を用いるLevel Set法とCIP法を組み合わせたもので界面位置を高精度に捕らえることができる.対象とする流れ場は2次元チャネル内での完全発達波状流である.上下境界は平滑固体壁とし,主流・幅方向には周期境界条件を用いた.気液界面位置はLevel Set法により距離関数が値ゼロを取る面として定義され,毎時刻更新される.表面張力については界面形状から界面法線・接線ベクトルおよび界面曲率を計算し,それらを用いて算出した表面張力を各セルに対する体積力として導入した.表面張力の表面垂直方向成分および接線方向成分(マランゴニ力)のモデル化の効果を見るために2次元および3次元の場合での温度勾配壁面上での液滴移動現象の計算も行い,表面張力の影響を体積力として取り扱うことの適切さを確認した.本研究の計算手法では気液界面を内部境界として扱えるので計算負荷は比較的軽いが,気液界面位置を精度良く再現するためには十分な格子数が必要となり,記憶容量・計算負荷ともに高くなる.そこでMPI(Message Passing Interface)を用いて領域分割法によるプログラムの並列化を行い,分散処理することで計算負荷軽減を行った.2次元チャネル流れの場合の計算結果では,表面張力によって界面変形が抑制される様子および気相側界面せん断力によって界面波が3次元的に発達する様子が再現された.