相変化に伴う体積変化を考慮した電磁熱流動の数値解析手法に関する研究

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本研究では,温度による体積変化を考慮した溶融金属の熱流動解析プログラムを次の4段階で開発した.(1)固液界面を有する流動計算法VOF (Volume of Fluid)法を用いて固液界面で速度差が生じる時も対応できる熱流動解析を開発した.1次元の凝固現象を解析したところ,相変化に伴う流れを解析でき,その結果は,系を入出する速度と界面の速度差はほぼ一致した.(2)温度による体積変化量を考慮した熱流動計算法圧縮性の質量保存式を用い,検査体積において温度変化に伴う体積変化量を湧き出し・吸い込みとなるよう設定することにより,温度による体積変化に伴う流れを解析できる計算法を開発した.1次元の凝固現象を解析したところ,系を入出する速度は,系全体の体積変化量と一致した.(3)2次元鋳造現象の数値解析2次元凝固現象の数値解析を行った.その結果,型近傍より温度が低下し,溶融金属が凝固する様子が観察された.また,温度による体積変化に伴い,溶融金属が鋳造型に向かって流れる様子も確認できた.しかし,本計算において,型表面温度を一定とする境界条件を用いたため,実際の鋳造と比較できなかった.しかし,本計算プログラムにより引巣の発生位置も推定できることがわかった.(4)アーク溶接の溶融池内の流動(電磁力計算)電流保存式とガウスの法則より,電磁場を求め,NS方程式に電磁力を追加することにより,電磁力による流れを計算するプログラムを作成した.アーク溶接における溶融池内の流動計算を行い,電磁力により溶融池内に対流が発生させることができた.本研究において,固液界面と気液界面の両方を有する熱流動解析プログラムの開発まで至らず,アーク溶接時の溶込み形状変化を実験と比較できなかった.