多重スケール乱流モデルによる分散系二相流の乱流構造の解析

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固体粒子群と乱流との相互干渉による流れ場の乱れの消散及び生成は,申請者らによる実験結果より,連続相のエネルギスペクトル分布のある特定の領域に影響を及ぼすことが明らかとなった.単一のタイムスケールに基づく従来型の二相乱流モデルでは,このエネルギスペクトル分布の領域によって異なる乱流構造変化を表現することは本質的に不可能である.そのため,複数のスケールに基づく普遍的な二相乱流モデルの構築が期待されている.本研究で用いる多重スケールモデルでは,エネルギスペクトル分布を乱れの生成及び伝達領域に分割し,各領域で固体粒子群による乱流への影響を考慮した.このなかで,粒子濃度分布の変動を生成領域で考慮することにより,単一スケールモデルで表現することができなかった乱れの増加の予測が可能であることが示されている。多重スケール二相乱流モデルを固気及び固液管内同軸二相噴流に適用し,計算結果を実験データと比較することにより,モデルの妥当性を検証することを目的として数値計算を行った.解析方法には,乱流場をオイラー的に解き,固体粒子群をラグランジュ的に追跡するオイラー・ラグランジュ法を用い、両相の運動量交換をTwo-way coupling法により考慮した.実験結果では,粒子介在により流体の乱れが固気二相流で減少し,固液二相流で増加することが示され,計算結果においても,各々の流れ場における乱れの減少度及び増加の両現象が再現された.各領域の乱流エネルギの変化の結果より,乱流エネルギの減少には伝達領域のエネルギの減少が大きく寄与し,乱流エネルギの増加には生成領域のエネルギの減少が大きく寄与していることが明らかにされた.本研究の結果より,管内同軸噴流においても,多重スケール二相乱流モデルが固体粒子群の乱流構造への種々の影響を考慮する上で有効であることが示された.