メゾスケールに着目した新しい熱流体解析

专注于介观尺度的新热流体分析

基本信息

批准号：
13750170
负责人：
山本和弘
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Toyohashi University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

通常流れを解析する場合,運動量・エネルギーなどの各保存式を差分法などで数値的に解く.燃焼場では計算精度の観点から小さな時間・空間スケールが必要であるため,計算時間が膨大となることが多い.このため,フィルタリングにより小さなスケールの特性をモデル化し,大きなスケールで計算を行うLESが現実的であるが,この場合にも特徴的な構造が正確に計算できる程度の精度が要求される.一方,よりミクロな視点から流れを模擬する方法に分子動力学法があるが,計算負荷が飛躍的に増加するので,実用的な場を計算することは不可能である.近年,分子や原子の集合に相当する仮想的な粒子を用いて流れを模擬する方法が提案された(メゾスケールモデル).その一つに格子ガスオートマトン法(LGA)があり,その手法の利点として,(1)支配方程式が存在せず数値誤差がない,(2)ミクロな視点から現象を記述するため境界条件の設定が容易である,(3)局所性が高く並列計算に適している,などが挙げられる.前年度は反応物と生成物の2種類の粒子を用いてLGAにより燃焼場の解析を試みた.しかし,粒子の存在の有無を整数型のBool変数を用いて記述するため,直接実数を扱うことができなかった.また粒子間の反応を確率により表したが,その物理的な解釈が問題となった.これに対し格子ポルツマン法(LBM)では,粒子の分布関数に対する発展方程式をもとに流れを模擬する.これにより実数を直接扱うことが可能になり,アレニウス型の反応を用いて燃焼場を模擬することができる.本研究では,一段の総括反応モデルを用いて,一様流中に形成される火炎をLBMにより計算した.本手法の妥当性を検討するため,燃焼速度を求めて実験結果と比較した.燃料には,メタンとプロパンの2種類を用いた.その結果,計算により得られた燃焼速度は,これまでに報告されている結果に近い値となった.今後,圧縮性を考慮するなどモデルを改善していく必要があるが,LBMにより燃焼場の数値計算が可能であることが確認できた.

分析正常流时，使用差分方法对动量和能量的每个保守方程进行数值求解。在燃烧场中，从计算准确性的角度来看，需要很小的时间和空间尺度，因此计算时间通常是巨大的。因此，通过过滤建模小尺度的特征的LE是现实的，但是在这种情况下，需要准确性才能准确计算特征结构。另一方面，分子动力学方法是一种从更微观的角度模拟流的方法。但是，由于计算负载急剧增加，因此无法计算实际字段。近年来，已经提出了一种使用与一组分子和原子相对应的虚拟颗粒模拟流的方法（中尺度模型）。这些方法之一是晶格气体自动机方法（LGA），该方法的优点包括（1）不存在管理方程式并且没有数值误差，（2）易于设置边界条件，因为它从微观的角度描述了现象，并且（3）它是高度局部化的，并且适用于并行的平行计算。在上一年，我们尝试使用LGA使用两种类型的粒子来分析燃烧场：反应物和产品。但是，由于使用整数型布尔变量描述了颗粒的存在或不存在，因此我们无法直接处理实数。此外，尽管粒子之间的反应是通过概率表达的，但物理解释的物理解释已成为一个问题。相比之下，晶格Portzmann方法（LBM）基于粒子分布函数的演化方程模拟流量。这允许直接处理实数，并使用Arrhenius型反应来创建燃烧场。它可以模拟。在这项研究中，使用一个阶段的一般反应模型，使用LBM计算了在均匀流中形成的火焰。为了研究该方法的有效性，计算了燃烧速度并将其与实验结果进行比较。使用了两种类型的燃料：甲烷和丙烷。结果，通过计算获得的燃烧速度接近到目前为止报告的燃烧速度。将来，需要改进该模型，例如考虑到可压缩性，但已确认使用LBM可以实现燃烧场的数值计算。