New frontiers in discontinuum mechanics model: coarse-grained DEM for powder systems

工業製品の多くは、原料、中間体、または最終製品のいずれかにおいて粉体として取り扱われる。不連続体である粉体の数値シミュレーションは、その支配方程式が確立していないため、個々の固体粒子の挙動をラグランジュ的手法により模擬するDiscrete Element Method（DEM）が使用されている。DEMシミュレーションにおける計算粒子数は、最新の計算機（１台）であっても数百万個程度（スプーン数杯分の粉砂糖の粒子数）であり、計算粒子数が実質的に制限されている。このような計算粒子数の制限に関する問題を解決するために、研究代表者はDEM粗視化モデルを開発した。本研究では、DEM粗視化モデルの応用範囲を広げるための研究に取り組む。本年度は、接触力のエネルギー消散の改良に関するモデル化に取り組み、粉体流動試験の体系において数値シミュレーションによる妥当性確認を行った。接触力のエネルギー消散を改良したDEM粗視化モデルが、実際の粉体の挙動を模擬できることをした。上記のDEM粗視化モデルの高度化に関する研究の他に、固気液三相流体系においてDEM粗視化モデルが応用できることを示した。その際、空隙率とComputational Fluid Dynamics（CFD）の計算格子を別々に設定し、CFDの格子サイズを空隙率の格子サイズよりも細かく生成するRefined Gridモデルが有効であることを示した。また、DEM粗視化モデルの妥当性確認において固有直交分解が有効であることも示した。以上のように、DEM粗視化モデルについて、要素モデルの開発、妥当性確認手法の開発および応用研究に取り組んた。

工業製品の多くは、原料、中間体、または最終製品のいずれかにおいて粉体として取り扱われる。不連続体である粉体の数値シミュレーションは、その支配方程式が確立していないため、個々の固体粒子の挙動をラグランジュ的手法により模擬するDiscrete Element Method（DEM）が使用されている。DEMシミュレーションにおける計算粒子数は、最新の計算機（１台）であっても数百万個程度（スプーン数杯分の粉砂糖の粒子数）であり、計算粒子数が実質的に制限されている。このような計算粒子数の制限に関する問題を解決するために、研究代表者はDEM粗視化モデルを開発した。本研究では、DEM粗視化モデルの応用範囲を広げるための研究に取り組む。本年度は、接触力のエネルギー消散の改良に関するモデル化に取り組み、粉体流動試験の体系において数値シミュレーションによる妥当性確認を行った。接触力のエネルギー消散を改良したDEM粗視化モデルが、実際の粉体の挙動を模擬できることをした。上記のDEM粗視化モデルの高度化に関する研究の他に、固気液三相流体系においてDEM粗視化モデルが応用できることを示した。その際、空隙率とComputational Fluid Dynamics（CFD）の計算格子を別々に設定し、CFDの格子サイズを空隙率の格子サイズよりも細かく生成するRefined Gridモデルが有効であることを示した。また、DEM粗視化モデルの妥当性確認において固有直交分解が有効であることも示した。以上のように、DEM粗視化モデルについて、要素モデルの開発、妥当性確認手法の開発および応用研究に取り組んた。