固気液三相流における分散相の集団現象に起因する乱流構造の研究

本年度は、昨年度より開発してきた固気液三相流動場解析手法であるIB-VOFカップリング法をさらに改良し、三相乱流場を構成する要素である、懸濁液中の気泡挙動について解析を行った。また、研究を円滑に進め、発展させるため、スタンフォード大学乱流研究所での長期研究滞在を行い、Parviz Moin教授を始め、当該研究所に属する多くの研究者と活発な討議を行った。まず、計算のさらなる安定化、高精度化を目指し、非圧縮性気液二相流解法について調査した。その結果、密度場と速度場、圧力場のカップリング方法が質量、また運動量の保存性に大きく関わることを明らかにした。次に、三相乱流場を理解するためには、その構成要素である粒子懸濁液中の単一気泡挙動を調査することが先決との考えから、IB-VOFカップリング法を用いた解析を行った。多くの既往研究では粒子を質点と近似できる条件での解析が行われたが、本研究では気泡径に対する粒子径の比が大きい条件(0.5から1程度)を設定し、気泡挙動に対する粒子サイズの影響を調べた。その結果より、粒子サイズが大きくなるに伴い、間欠的な上昇速度の低下が起こることが明らかになった。これは、気泡に粒子が接近した際に、気泡がそれを排除するための付加質量が増加するためである。この結果より、三相乱流場では、二相乱流場以上に系の多重スケール性が顕著になることが示唆され、今後の混相流モデル開発に新たな指針を与えた。

本年度は、昨年度より開発してきた固気液三相流動場解析手法であるIB-VOFカップリング法をさらに改良し、三相乱流場を構成する要素である、懸濁液中の気泡挙動について解析を行った。また、研究を円滑に進め、発展させるため、スタンフォード大学乱流研究所での長期研究滞在を行い、Parviz Moin教授を始め、当該研究所に属する多くの研究者と活発な討議を行った。まず、計算のさらなる安定化、高精度化を目指し、非圧縮性気液二相流解法について調査した。その結果、密度場と速度場、圧力場のカップリング方法が質量、また運動量の保存性に大きく関わることを明らかにした。次に、三相乱流場を理解するためには、その構成要素である粒子懸濁液中の単一気泡挙動を調査することが先決との考えから、IB-VOFカップリング法を用いた解析を行った。多くの既往研究では粒子を質点と近似できる条件での解析が行われたが、本研究では気泡径に対する粒子径の比が大きい条件(0.5から1程度)を設定し、気泡挙動に対する粒子サイズの影響を調べた。その結果より、粒子サイズが大きくなるに伴い、間欠的な上昇速度の低下が起こることが明らかになった。これは、気泡に粒子が接近した際に、気泡がそれを排除するための付加質量が増加するためである。この結果より、三相乱流場では、二相乱流場以上に系の多重スケール性が顕著になることが示唆され、今後の混相流モデル開発に新たな指針を与えた。