固体－流体混合系における物質輸送及び構造形成に潜む普遍的機構の解明

阐明固液混合系统中质量传输和结构形成的普遍机制

基本信息

批准号：
14J03528
负责人：
新屋啓文
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

粒子の空気輸送メカニズムを解明するため，これまでに平均風速場の計算と個々の粒子計算を組み合わせた理論モデルを構築した．本年度は，既存成果の主要因特定のため詳細な物理量の解析①と②に加え，理論モデルの３次元乱流場への拡張③について，以下の通り実施した．①1964年に提唱されたOwenの仮説を検証するため，粒子が飛散し始める臨界近傍における流体・粒子剪断応力の風速依存性について調べた．粒子輸送下で発生する粒子応力は，下降・上昇粒子の総運動量の差から算出される．その結果，流体と粒子応力の和は全ての風速条件で空間一様であったため，風速に対する粒子応力の変化が地表面応力特性の要因と特定された．さらに，粒子応力の風速依存性は，跳躍粒子の粒度分布変化によって説明されることを明らかにした．②跳躍粒子と地表面の衝突であるスプラッシュ過程を，既存の単一スプラッシュ実験に基づき再構築し，飛散粒径に応じた輸送形態の変化について調べた．その結果，粒子の運動形態は，粒径100 μmを境に跳躍から浮遊へ遷移し，既存の観測や実験結果と対応することを示した．さらに，スプラッシュ過程の再構築に伴う粒子運動の改善は，衝突速度に非依存した鉛直方向の反発係数によって生じたことを明らかにした．③風速場の空間不均一性による輸送の非定常ダイナミクスを理解するため，Large-Eddy Simulationによる乱流計算手法とスプラッシュ関数を用いた粒子計算手法を連成させた新たな粒子の乱流輸送モデルを開発した．そして，一定速度の壁面駆動による風速場の下，粒径100 μmの場合に生じる粒子の乱流輸送構造を調べた．その結果，主風向に沿った筋状の空間構造が，局所的に取り込まれた粒子によって形成された．さらに，この構造は時間的に輸送の発生と停止を繰り返す間欠性を示すことを明らかにした．

为了阐明颗粒的空气传输机制，我们构建了一个理论模型，将平均风速场的计算与单个粒子计算结合在一起。在这个财政年度，为了确定现有结果背后的主要因素，除了对物理量1和2的详细分析外，我们还采取了以下步骤，将理论模型扩展到三维湍流场。 1。为了测试1964年提出的欧文假设，我们研究了粒子开始散射的临界点附近的流体和颗粒剪切应力的风速依赖性。在粒子传输过程中产生的粒子应力是根据降落和上升颗粒的总动量的差异计算的。结果，在所有风速条件下，在空间中，流体和颗粒应力的总和是均匀的，因此，颗粒应力相对于风速的变化被确定为地面应力特征的一个因素。此外，揭示了颗粒应力对风速的依赖性是通过跳跃颗粒的粒径分布的变化来解释的。 2）基于现有的单个飞溅实验，对跳跃颗粒与地面之间的碰撞进行了飞溅过程，并研究了根据散射粒径的转运模式的变化。结果，颗粒的运动从跳跃到漂浮的粒径为100μm，对应于现有的观测值和实验结果。此外，揭示了粒子运动的改善伴随着飞溅过程的重建是由与碰撞速度无关的垂直反弹系数引起的。 3）为了了解风速场中的空间不均匀性引起的非稳态传输动力学，我们为粒子开发了一种新的湍流传输模型，该模型使用大涡模拟使用粒子计算方法，使用溅起函数结合了湍流流量计算方法。然后，我们研究了当粒径为100μm的风速场下，由于恒定速度壁驱动而导致的颗粒的湍流传输结构。结果，沿主风向的条纹状空间结构是由局部结合的颗粒形成的。此外，据透露，该结构表现出间歇性的特征，并反复发生并停止运输。