離散要素法と連続体モデルの複合化による分布系反応システムの高精度解析

製鉄プロセスは、環境負荷が大きいため、地球環境問題や地域との共生の必要性から大きな転換期にある。現在、操業効率化のために原料の新配置法や高反応性原料の使用が模索されているが、本研究では、莫大な労力とコストをかけられ経験的に決定されているプロセス操作設計を新たなコンピュータシミュレーション技術により根本的に見直すことに着眼した。高炉内では、充填層中で原料である焼結鉱が融解する固液共存領域の制御が、操業安定性に大きく影響するため、その挙動把握が重要であると考えた。個々の粒子から構成される充填層は、固気液相が混在しかつ空間的に不均一な運動形態をとり、従来の格子法では空間解像度の向上が困難であった。本研究では、高炉内の離散的現象の性格を反映した記述を行う手法として、粒子法であるDEMとMPS法、および数値流体力学法(CFD)をカップリングする方法を発展させた。粒子群単位の性質を構造格子に反映する方法を提案し、大規模な領域を計算対象とすることで従来にない大規模系を取り扱うことのできる3次元固気液流れ解析を行うことを可能とした。また、本モデルに粒子単位での熱移動、物質移動方程式を組み込むことで、高炉を対象としたモデル解析による数値実験を可能とした。特に、現在低炭素化を指向して、コークスの反応性の変化による鉱石の還元速度について議論がなされているが、本モデルは世界で初めて粒子配置の最適化を検討する数値モデルであり、伝熱、流体の流動、物質移動を考慮した最適化の提案を行った。

製鉄プロセスは、環境負荷が大きいため、地球環境問題や地域との共生の必要性から大きな転換期にある。現在、操業効率化のために原料の新配置法や高反応性原料の使用が模索されているが、本研究では、莫大な労力とコストをかけられ経験的に決定されているプロセス操作設計を新たなコンピュータシミュレーション技術により根本的に見直すことに着眼した。高炉内では、充填層中で原料である焼結鉱が融解する固液共存領域の制御が、操業安定性に大きく影響するため、その挙動把握が重要であると考えた。個々の粒子から構成される充填層は、固気液相が混在しかつ空間的に不均一な運動形態をとり、従来の格子法では空間解像度の向上が困難であった。本研究では、高炉内の離散的現象の性格を反映した記述を行う手法として、粒子法であるDEMとMPS法、および数値流体力学法(CFD)をカップリングする方法を発展させた。粒子群単位の性質を構造格子に反映する方法を提案し、大規模な領域を計算対象とすることで従来にない大規模系を取り扱うことのできる3次元固気液流れ解析を行うことを可能とした。また、本モデルに粒子単位での熱移動、物質移動方程式を組み込むことで、高炉を対象としたモデル解析による数値実験を可能とした。特に、現在低炭素化を指向して、コークスの反応性の変化による鉱石の還元速度について議論がなされているが、本モデルは世界で初めて粒子配置の最適化を検討する数値モデルであり、伝熱、流体の流動、物質移動を考慮した最適化の提案を行った。