Study on scale effect of impulsive breaking wave force for numerical simulation

冲击破波力尺度效应数值模拟研究

基本信息

批准号：
21K14256
负责人：
鶴田修己
金额：
$ 2.91万
依托单位：
National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

令和4年度は，非定常流をより高精度に解くため，前年度に開発した斥力型の安定化スキームに対して，信頼性の高い既存の粒子再配列スキームを組み合わせ，計算安定性及び精度の向上を図った．開発スキームは，重複粒子のみを対象に粒子ペア毎で粒子間距離を個別に調整する手法であるが，ここではスキーム間での機能の重複を回避すべく，近傍粒子配列の偏りを包括的に調整するParticle Shifting techniqueを追加スキームとして採用し，各スキームの機能が補完し合うように取り計らった．ベンチマークテストでは，各スキーム単体での使用時と比較してより高精度な計算結果が得られ，スキーム間の高い適合性・相乗効果を確認した．次に，衝撃波力の再現に求められる高解像度計算を実現すべく，流れ場に応じて高解像度粒子の追随・維持が可能な混合粒径モデルを新たに開発した．従来，粒子法では計算安定性のために計算粒子径を均一にすることが一般的であったが，近年においては，粒径ごとに離散化空間を分離・重複させて重合格子法に似た形で解像度可変計算を実現する手法が幾つか開発されている．しかし，離散化空間の転移・変形は容易でなく，必要解像度が局所的に時々刻々と変化する衝撃圧や砕波などに対しては，計算効率の維持が難しい．そこで本研究では，粒子間の微分演算モデルに対して粒子体積を考慮しつつ改良を施し，同一離散化空間で流れに応じて高解像度粒子を局所的かつ動的に維持させることが可能な完全Lagrange型の混合粒径モデルを開発した．さらに，砕波下の衝撃波力に対して本モデルを適用し，複雑流に対しても安定的に計算効率が維持させられることを確認した．また，二相流での異相界面にも本モデルを適用し，変形する異相界面に追随する形で任意の粒径（解像度）を維持しつつ安定的に計算ができることを確認した．

2020财年，为了更高精度地求解非定常流，我们将前一年开发的斥力稳定方案与现有的高可靠粒子重排方案相结合，以提高计算稳定性和精度。所开发的方案是一种单独调整每个粒子对的粒子间距离的方法，仅针对重叠粒子，但在这里，为了避免方案之间的功能重复，我们采用了粒子移动技术来全面调整相邻粒子排列的偏差。作为一个附加方案，以确保每个方案的功能相互补充。在基准测试中，我们获得了比单独使用每种方案更准确的计算结果，证实了方案之间的高度兼容性和协同效应。接下来，为了实现重现冲击波力所需的高分辨率计算，我们开发了一种新的混合颗粒尺寸模型，可以根据流场跟踪和保持高分辨率颗粒。传统上，粒子方法通常为了计算稳定性而使计算的粒子尺寸均匀，但近年来，离散化空间对于每个粒子尺寸被分离和重叠，并且已经开发了几种类似于重叠网格方法的方法。实现变分辨率计算。然而，离散空间的传输或变换并不容易，并且对于冲击压力或破浪等要求分辨率局部瞬时变化的情况，很难保持计算效率。因此，在本研究中，我们在考虑颗粒体积的情况下改进了颗粒之间的微分计算模型，并开发了一个完整的模型，可以根据同一离散空间中的流动局部动态地保持高分辨率颗粒。开发了混合粒度模型。此外，我们将该模型应用于破碎波下的冲击波力，并证实即使在复杂的流动中也能稳定地保持计算效率。我们还将该模型应用于两相流中的异质界面，并确认可以在遵循变形异质界面的同时保持任意粒径（分辨率）的同时稳定地进行计算。