空間発展型全体安定性解析による自由乱流の高次不安定現象

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報告者は,流れ場中に複数粒子が存在する系での,粒子および流体の相互作用について数値的に解析を行なった.円筒形容器底面の円孔より高速で噴出する気体と,容器中に充填された粒子との相互作用解析から報告する.これは化学工業プラントや生物資源エネルギーおよび製薬の分野においてよく利用される重要性の高い装置である.この流動場では,時間スケールの大きく事なる二つの粒子流動現象が円筒の中心軸付近に隣接して存在する.それらの安定性は極めて狭いパラメータ範囲でのみ実現されるため,数値計算での現象再現は挑戦的な課題であった.報告者は新しい数値解法を提案し,この現象を三次元円筒座標系において解析した.また一般的な工業用途では,容器下部に逆円錐状の装置を取り付け,粒子の撹拌を促進させることがしばしば行なわれる.この装置によって発生する粒子加速流れのモデル化は容易ではないが,本研究では独自の境界条件を提案して数値解析を可能にした.いずれの幾何学形状においても,国内外の研究機関で本流動現象を完全三次元で再現した例は見当たらない.報告者は,本数値解析手法を高速回転型粒子撹拌装置内の固気流れに適用した.本装置は,装置底面で高速回転する円盤と,装置上面の固定壁の間の狭い空間に粒子を噴出させ,撹拌する装置である.円盤の回転角速度は約1000rpmで,円盤周辺部の移動速度は毎秒100mに達する.このような高速移動壁のある場においては,従来実験・数値解析ともに,粒子および装置内流体の流動解析は困難であったが,適切な粒子=移動壁面衝突モデルの提案と,気体の分子粘性の取り扱いにより,高精度な流動予測が可能となった.本解析結果に基づき,報告者は全体安定性解析の手法を用いて,粒子の付加量と気相の流動モードの時間変化を関係づける方程式を導出した.またその方程式をもとに流れ場の最適制御手法を提案した.現在は単純な場を想定し,その効果を検証中である.なお予備的に行なった容器加振による数値制御実験として,粒子径と体積密度に依存する固相の分離現象を解析した.分離の所要時間は各振動サイクル内の最大気圧の関数であることを示した.また分離に要する時間は,粒子どうしの非完全衝突によるエネルギー散逸が重要である事を示唆する結果を得ている.引続き,より高精度な数値実験を行なって固気二相流れ場のモデリングおよび安定性の解析を行なう予定である.