Physical elucidation and modeling of non-locality in granular flows by full-scale discrete particle simulation

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本研究では，粉粒体が有する非局所性発生メカニズムの詳細解明と，これをべースとした新しいレオロジーモデルの構築を目的に掲げている．初年度として，三次元定常せん断流れ場であり，粉粒体流れの重要な特徴の一つであるせん断帯形成を伴うスプリットボトムセル系を対象としたフルスケール離散粒子シミュレーション（DEM）モデルと，計算から得られた速度や接触力などの粒子データ（ミクロ量）を空間平均化することにより，速度や応力などの連続データ（マクロ量）を取得し，粉粒体のマクロ―ミクロ関係の詳細な検討を可能とするフレームワークの構築を行った．・壁面に粒子を貼り付けることにより固体壁面上における滑り無し条件を実現し，せん断速度や粒径などの諸量を変化させ計算を行ったところ，平均速度分布について，本計算により実験結果を定量的に再現できることを確認した．・粉粒体の非局所性を考慮した非局所粉粒体流動度（NGF）モデルに注目した．NGFモデルにおいては，粉粒体流動性を表す流動度が導入されるが，これはマクロ的な考察から導入されたものであり，非局所性を引き起こすと考えられるミクロスケールでの物理量との関係はよくわかっていない．構築したフレームワークに基づき，流動度と粒子スケールでの振る舞いを特徴づける物理量との関係を調査し，流動度が粒子の速度ゆらぎ，局所空隙率，粒径などと関係があることを明らかにした．また，流動度が摩擦係数や反発係数など系のエネルギー散逸を司るパラメータに依存して大きく変化することも明らかにした．・含水粉粒体の非局所性については，ほとんど知られていない．液添加による液架橋形成を考慮した計算を行い，その影響を調査した．粒子間引力の大きさを表す無次元量であるボンド数に応じて流動度が変化することを明らかにし，付着を伴う粉粒体の非局所レオロジー則を新規に提案した．