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

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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．