粒子層内の熱・物質輸送現象に対する微視的シミュレーション手法の高度化と応用

颗粒层内热和质量传输现象的微观模拟方法的复杂性和应用

• 批准号: 22K12061
• 负责人: 鳥生 大祐
• 金额: $ 2.41万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K12061/
• 关键词: 熱・物質輸送; 固液相変化; 流体・固体熱連成; 直交格子法; 粒子層; 数値シミュレーション; 直交構造格子

初年度である2022年度は，研究計画にしたがい以下の２項目について検討した．(1) Fractional Step法と音速抑制法を用いた低マッハ数圧縮性流れの数値計算手法：課題代表者らがこれまでに検討してきたFractional Step法と音速抑制法を用いた数値計算手法では，計算中に音速を人工的に抑制することで音速に基づくCourant-Friedrichs-Lewy条件を緩和し，流体の圧縮性を考慮しつつ低マッハ数の非等温流れを完全陽的に計算可能である．本年度は2次元キャビティ流れとキャビティ内自然対流問題に本手法を適用し，音速を抑制しない場合の計算結果や既往の計算結果と比較した．その結果，上部壁面が水平方向に動くことで流れが駆動されるキャビティ流れにおいては，音速を抑制した影響が流速や圧力に比べて密度や温度に現れやすく，音速を過剰に抑制した場合には流れのマッハ数が十分小さいにも関わらず密度や温度の変化が無視できなくなる可能性が示唆された．また，左右の壁面間に大きな温度差(720 K) を与えたキャビティ内自然対流の計算では，音速の抑制により温度変化の大きな箇所での圧力変化を過小評価する傾向があるものの，流速，温度，密度への影響は圧力に比べて非常に小さく，音速抑制法が計算を高速化する上で有効な手法であることを確認した．(2) 直交格子を用いた自然対流を伴う水の凍結および氷の融解の数値計算手法：課題代表者らがこれまでに検討してきた数値計算手法について，水の凍結と氷の融解を同時に扱うべく，固液界面におけるステファン条件を用いた凍結層厚さの計算手法に改良を加えた．改良した手法を用いて自然対流を伴う正方形キャビティ内の凍結・融解問題について数値実験を行い，対流による温度分布変化に応じて計算領域内で水の凍結と氷の融解が同時に生じるような複雑な問題への適用性を確認した．

在2022年的第一年，根据研究计划考虑了以下两个项目。 （1）使用分数步骤方法和声音速度抑制方法的低速度数量可压缩流量的数值计算方法：任务代表到目前为止研究的数值计算方法使用分数抑制方法进行了分数抑制方法，该方法可以人工地抑制在计算过程中，并且可以在计算过程中进行人工抑制，并且在计算过程中进行了计算，并且在计算过程中可以进行计算，并且在计算过程中均具有良好的计算。流体。今年，我们将此方法应用于腔中的二维腔流量和自然对流问题，当没有抑制声音速度和先前的计算结果时，将其与计算结果进行了比较。结果，在流动流动的腔流中，由上壁的水平运动驱动，抑制声速的效果比流速和压力更可能以密度和温度出现，并且当声速过度抑制时，密度和温度的变化可能会被忽略，尽管不足以忽略流量的小马赫数。此外，在计算腔体中的自然对流时，尽管左右壁表面之间应用了较大的温度差（720 K），尽管尽管趋势倾向于低估由于抑制声速而在较大温度变化时压力变化的趋势，因此对流速度，温度的影响非常小，并且对压力的效果非常小。 （2）使用正交晶格的自然对流的冰点水和冰融化的数值计算方法：关于该任务的代表到目前为止研究的数值计算方法，我们已经改善了在固体界面下使用Stephan条件在冰上同时使用冰冻和冰冰的固体界面下使用Stephan条件的冻结层的厚度的方法。使用改进的方法，我们对具有自然对流的正方形腔中的冻结问题进行了数值实验，并确认了其对复杂问题的适用性，其中水冻结和冰在计算区域内同时融化，响应于对流引起的温度分布的变化。

项目成果

水の密度逆転領域を含む自然対流と凍結・融解の多相場数値解法

含水密度反演区域的自然对流和冻融多相场数值解

• 发表时间: 2022
• 作者: 西本 和貴;本西 亮太;鳥生 大祐;牛島 省
• 通讯作者: 牛島 省

Numerical prediction of water-ice phase-change with natural convection including density inversion region

自然对流水冰相变（包括密度反演区域）的数值预测

• 发表时间: 2022
• 期刊: JSST 2022 Student Session Proceedings
• 作者: Kazuki Nishimoto;Daisuke Toriu and Satoru Ushijima
• 通讯作者: Daisuke Toriu and Satoru Ushijima