GPUスーパーコンピュータを用いた沸騰多相流挙動解析

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2022年度は、GPU型大型計算機を利用した沸騰気泡流れの熱流動解析に向けて、前年度に開発した界面捕獲型の気液二相流解析コードの界面モデルの高度化を実施し、バンドル体系の気泡流解析を実施した。界面モデルとして採用したPhase Field法には過剰な界面修正によって計算格子に沿った界面形状に変形してしまう場合があることが判明したため、従来のConservative Allen-Cahn(CAC)方程式を改良したModified conservative Allen-Cahn(MCAC)を開発し、界面近傍の局所的な速度場および速度勾配から必要最小限の界面補正強度を与えることを可能とした。単一気泡上昇問題や液滴振動問題などのテストを実施し、MCACは計算格子に沿った界面変形を防げるだけでなくCACと同等以上の計算精度があることが明らかになった。MCACを用いて5x5バンドル体系の気液二相流解析を実施し、実験結果との比較を行なった結果、数値解析ではボイド率を過大評価してしまう事が判明した。その原因は、界面捕獲法では２つの界面が３格子程度まで接近すると非物理的に合体してしまい、ボイド率が過大評価されてしまう点にある。界面捕獲法で気泡同士の反発を表現するためには界面間の薄膜を解像する必要があり、気泡直径に対して1600格子以上の超高解像度計算が必要になるとの報告があるが、バンドル体系のような実規模の解析では不可能である。そこで、多数の気泡計算において、個々の気泡に対し独立した相を計算するMulti-Phase Field法を用いることにより従来の1/50の解像度で気泡の接近と反発現象を再現可能であることが明らかになった。本研究は界面追跡法を用いた気液二相流計算の解析技術の高度化だけでなく、原子力工学や様々な産業分野の基盤技術確立に繋がる。