気泡せん断流れの数値モデリングと実河川スケールにおける高効率エアレーションの評価

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エアレーションのような多数の気泡群を含む流れを数値計算する場合,一般的な差分解法では計算グリッドの制約があるためモデリングには様々な工夫が必要となる.既往研究でもVOFやMARSといった界面計算手法が開発されて多くの応用例があるが,複雑な移動境界場においてはその精度に疑問が残る.そこで本研究では今年度にグリッドレス渦要素モデル(DVM)をベースにした数値モデルを開発した.第1ステップとして,気泡を含まない水流だけの単相流れを対象に非定常乱流計算を行い,時間平均流速分布,乱れ統計量の分布および組織乱流構造等について,既存の実験データや他の数値計算データと比較して本モデルの精度検証を行った.第2ステップでは,上述のDVMモデルを基に本研究のメインテーマである気液混相場の数値モデリングを行った.気泡の扱いには気泡濃度を未知関数とするオイラー的手法もあるが気泡形状の変形予測が難しい.そこで本研究では個々の気泡を追跡するラグランジェ的手法を採用した.この方法ではそれぞれの気液境界を複数のパネルに分割し,パネル上の境界条件を満たすように固定渦要素を配置した.これによって気泡の変形作用も簡単に計算でき,グリッドレスのメリットが最大限に発揮された.さらに気-液および固-液境界部における粘性効果を増大させるモデル関数を,放出渦要素の渦径をフィルタリングする乱流モデルに組み込んで,気泡周辺流れの微視的な高精度計算ルーチン作成の基礎を築いた.現段階では実験結果との差異をできるだけ小さくするように各種パラメータの調整をしている.