Fundamental study on interactions between small solid particles and turbulence

固体小颗粒与湍流相互作用的基础研究

基本信息

批准号：
18K03925
负责人：
渡邊威
金额：
$ 2.33万
依托单位：
Nagoya Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究課題の目的は、微小固体粒子群による乱流変調の解析に用いられる、質点近似された固体粒子と流れ場との相互作用に関する計算方法の妥当性や限界を検証することにある。第一原理に近い手法である粒子周りの流れを解像した粒子群と流れ場の相互作用の解析と、質点近似した粒子と流れ場の相互作用の解析結果を比較することで、その問題点を明らかにすることを目指している。質点近似計算においては、抗力の評価式としてストークス抵抗を仮定した解析が行われている。粒径が流れ場の計算格子間隔に比べて十分小さい場合、ストークス抵抗に含まれる流体速度の評価はさほど大きな問題にならないが、両者が同程度のオーダーになると粒子自身が与える速度場への擾乱の影響を考慮し、非擾乱速度を用いてストークス抵抗を評価する必要がある。しかしこの非擾乱速度は一意には決められず、過去に様々な手法が提案されてきた。そこで本年度はこの非擾乱速度を求める手法の一つとして提案されているHorwitz and Mani (2016)の方法をスペクトルDNS法へ適用する方法について検討を行った。擾乱速度場から非擾乱速度を推定する際に用いる係数値が、スペクトル法の計算方法ではどのような値を示すか具体的な計算を行い、その妥当性や問題点について検証を行った。その結果、得られた係数値から求めた非擾乱速度は単一粒子周りの流れから得られる理論的な予測値と矛盾しない結果が得られることが確認された。また、昨年度以前から進めてきた、Volume Penalization法を用いた有限球形粒子と乱流場の相互作用についての解析を発展させて、粒子形状が乱流変調に及ぼす影響について解析を行った。その結果、粒子群の体積分率が同じでも、粒子形状の違いによって乱流運動エネルギーの減衰に変化が生じることがわかった。

本研究项目的目的是验证质点近似固体颗粒与流场相互作用计算方法的有效性和局限性，用于分析小固体颗粒的湍流调制。通过比较接近第一性原理的颗粒群与流场相互作用分析（解析颗粒周围流动）和近似为以下的颗粒与流场相互作用分析结果一个群众点，我们就可以解决这个问题。在质点近似计算中，假设斯托克斯阻力作为阻力评价公式来进行分析。如果颗粒尺寸相对于流场的计算网格间距足够小，则评估包含在斯托克斯阻力中的流体速度不是一个大问题，但如果两者的量级相同，则由粒子本身成为一个问题，有必要使用不受干扰的速度来评估斯托克斯阻力，并考虑到影响。然而，这种不受干扰的速度不能唯一地确定，并且过去已经提出了各种方法。因此，今年，我们研究了如何将Horwitz和Mani（2016）的方法（该方法被提出作为确定无扰动速度的方法之一）应用于谱DNS方法。我们进行了具体的计算，以确定在使用谱法计算方法从扰动速度场估计无扰动速度时使用什么样的系数值，并验证了其有效性和问题。结果证实，根据获得的系数值计算出的原状速度与单个颗粒周围流动获得的理论预测值一致。此外，我们还利用去年以来一直在研究的体积惩罚方法对有限球形颗粒与湍流场之间的相互作用进行了扩展分析，并分析了颗粒形状对湍流调制的影响。结果发现，即使颗粒群的体积分数相同，湍流动能的衰减也会根据颗粒形状而变化。