粒子近傍流れの粗視化応力モデルを用いた混相乱流のマルチスケール相互作用の研究

使用近颗粒流的粗粒度应力模型研究多相湍流中的多尺度相互作用

• 批准号: 15J00439
• 负责人: 深田 利昭
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J00439/
• 关键词: 渦、粒子相互作用; 数値流体力学; 体積平均場; 粒子混相流; 乱流変調; 数値シミュレーション

流れ場の最小長さスケールと同程度の径をもつ粒子が希薄に混入した場合の乱れの増減は，工業装置の性能を大きく左右する重要な乱流変調問題として知られており，数値シミュレーションによる解明が期待されている.本研究では体積平均の考え方を用いて、粒子表面応力分布を反映した数値解析モデルを提案した。さらに粒子周り流れの詳細なシミュレーションの結果に基づいて，擾乱を含む粒子近傍の流れ場から粒子が受ける力を予測するモデルを構築した．以上の提案モデルの基本的な検証問題として，静止流体中を自由落下する粒子と流れの中で回転している粒子に関するシミュレーションを行った．また比較のために十分高い解像度を設定したシミュレーションを並行して行った．これらの問題では粒子の非定常運動や回転に起因する影響が流体力に現れることが従来から良く知られている．粒子を点とみなす従来の方法ではこれらの効果は個別にモデル化が取り組まれてきたものであるが，それらの一般的なモデリングは未だ困難である．しかし今回提案した方法では粒子周りの擾乱を踏まえて流体力を予測することにより，粗い計算格子を用いても粒子の非定常運動や回転の影響が特別なモデルを導入すること無しに良好に捉えられた．以上の結果は単なる検証に留まらず，今後のモデリングの指針に影響を与えうる本質的に重要なものといえる．次に乱流と粒子の相互作用を想定し，粒子の置かれた渦列流れのシミュレーションを行った．渦の中の粒子運動は単純でなく，その結果はモデルに大きく依存する．従来のモデルでは粒子の軌道が高解像度シミュレーションと全く異なる結果を得たのに対し，本研究で提案したモデルは高解像シミュレーションと非常に良好に一致する結果を得た．提案モデルでは擾乱を踏まえた流体力予測によって粒子周り流れの非定常効果が捉えられており，そのことが結果を本質的に改善していることを明らかにした．

れ field の minimum long さ ス ケ ー ル と の diameter the same extent を も が つ particles and thin に mixed with し た occasions の disorderly れ の raised は reduction, industrial plant の performance を big き く around す る な turbulence - adjustable important question と し て know ら れ て お り, the numerical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る interpret が expect さ れ て い る. This study で は volume average の tested え party を with い て を 応 force distribution, particle surface し た the numerical analytical モ デ ル を proposal し た. Weeks り さ ら に particles flow れ の detailed な シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の results に づ い て, disrupting を れ contain nearly alongside の む particles flow field か ら particle が by け を る force to measure す る モ デ ル を build し た. Proposed above の モ デ ル の basic な 検 card problem と し て, static fluid を free falling す と る particles flow れ の で back in planning し て い る particle に masato す る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を line っ た. ま た is の た め に slightly を set in the very high い し た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を parallel し て line っ た. こ れ ら の problem で は particle の unsteady movement や planning に cause す る influence が flow physical に now れ る こ と が 従 to か ら good く know ら れ て い る. Particle を point と み な す 従 to の way で は こ れ ら の unseen fruit は individual に モ デ ル change が group take り ま れ て き た も の で あ る が, そ れ ら の general な モ デ リ ン グ は not だ difficult で あ る. し か し this proposal back し た method で は particle weeks り の disrupt を tread ま え て flow physical を be す る こ と に よ り, coarse い を computing grid with い て も particle の unsteady movement や planning の influence が special な モ デ ル を import す る こ と no し に に good catch え ら れ た. の above results は 単 な る 検 card に leave ま ら ず, future の モ デ リ ン グ の pointer に influence を and え う る essential important な に も の と い え る. Time に turbulence と particle の を し scenarios, the interaction between particles の buy か れ た vortex street flow れ の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を line っ た. In a vortex nucleus, the motion of <s:1> particles is 単 単 pure でなく, and the そ nucleus result is モデ モデ に に large <s:1> く dependent on する. 従 to の モ デ ル で は particle の orbit が high resolution シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と く all different な る results た を の に し polices, this study proposed で し た モ デ ル は high resolution シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と very good に に consistent す た を る results. Proposal モ デ ル で は disrupt を tread ま え た flow strength can be に よ っ て particle weeks り flow れ の unsteady working fruit が catch え ら れ て お り, そ の こ と が results essentially を に improve し て い る こ と を Ming ら か に し た.

项目成果

粒子周りの曲がった背景流れにおける流体力の自己相似性

粒子周围弯曲背景流动中流体力的自相似性

• 发表时间: 2015
• 期刊: ながれ
• 作者: 鈴木浩平;大森健史;梶島岳夫;深田利昭，竹内伸太郎，梶島岳夫
• 通讯作者: 深田利昭，竹内伸太郎，梶島岳夫

Interaction force and residual stress models for volume-averaged momentum equation for flow laden with particles of comparable diameter to computational grid width

• DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.06.018
• 发表时间: 2016-10
• 期刊: International Journal of Multiphase Flow
• 影响因子: 3.8
• 作者: T. Fukada;S. Takeuchi;T. Kajishima

Deflection of the wake of a particle in sheared ambient flows

剪切环境流中粒子尾流的偏转

• 发表时间: 2015
• 作者: Toshiaki Fukada;Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima
• 通讯作者: Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima

Wake structures of a particle in straight and curved flows

直线流和曲线流中粒子的尾流结构

• DOI: 10.1007/978-3-319-30602-5_24
• 发表时间: 2016
• 期刊: Springer Proceedings in Physics
• 作者: Toshiaki Fukada;Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima
• 通讯作者: Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima

Volume-averaged equations for direct numerical simulation of particle-dispersed flow under a grid resolution comparable to particle diameter and Kolmogorov length scale

在与颗粒直径和柯尔莫哥洛夫长度尺度相当的网格分辨率下直接数值模拟颗粒分散流的体积平均方程

• 发表时间: 2016
• 作者: Toshiaki Fukada;Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima
• 通讯作者: Shintaro Takeuchi and Takeo Kajishima