多相連成災害の素過程を解明する計算力学手法の構築

构建计算力学方法来阐明多相耦合灾害的基本过程

基本信息

批准号：
21K11920
负责人：
牛島省
金额：
$ 2.66万
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：
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

多相連成災害の素過程を解明する計算力学手法の構築するため，以下のような研究を進めた．(1) 鉛直上昇流による飽和粒子層の内部流動化に対する流体・固体連成計算底面から局所的に流入する鉛直上昇水流(平均流速約0.77 m/s) により，粒子層で内部流動化が発生し，最終的に水流が粒子層を貫通して崩壊に至る過程を対象として，実験および粒子スケールの流体・固体連成計算を行った．実験では，2 種類の礫粒子（粒径約7 mm と4 mm）および粒径約7 mm のガラスビーズを用いて，高速ビデオで粒子の動きを撮影し，超小型間隙水圧計による計測を行った．一方，計算では個々の粒子を四面体要素で表現する粒子モデルを利用し，最小粒径粒子の計算では，粒子モデル数を21,936，流体計算セル数を117,504,000 として，粒子周辺の流体計算に十分な分解能を設定し，2,176 プロセスの並列処理により演算を高速化した．実験および計算結果を用いて，粒子層内に生ずる過剰間隙水圧の時間的・空間的分布を比較するとともに，計算結果を利用した粒子移動パターンを示し，一連の過程が進行する力学的な要因や，粒子形状および粒径による現象の相違について考察を加えた．(2) 密度流の数値解析における圧力計算の前処理法C-HSMAC 法における圧力ポアソン方程式の求解に前処理付きBi-CGSTAB法を用い，その効果について考察した．その結果，前処理により計算時間が短縮されることが確認できた．特に，Multigrid 法を前処理として用いた場合に，C-HSMAC 法の反復回数が他の解法と比べて大幅に少なくなるケースが存在しており，この現象も計算時間の短縮につながっていると考えられる．

为了构建计算力学方法来阐明多相耦合灾害的基本过程，我们进行了以下研究。 (1) 垂直向上流动引起的饱和颗粒层内部流化的流固相互作用计算由于垂直向上的水流(平均流速约为0.77 m/s)从底部局部流入，颗粒层发生内部流化然后，针对水流最终穿透颗粒层并导致其塌陷的过程进行了实验和颗粒尺度的流固相互作用计算。实验中使用了两种砾石颗粒（直径约7毫米和4毫米）和直径约7毫米的玻璃珠，使用高速视频拍摄颗粒的运动，并使用超高速成像仪进行测量。 -紧凑型孔隙水压力计。另一方面，在计算中，使用将每个粒子表示为四面体单元的粒子模型，在最小粒径的计算中，粒子模型的数量为21,936，流体计算单元的数量为117,504,000，设定了分辨率，并通过2,176个进程的并行处理提高了计算速度。利用实验和计算结果，比较颗粒层内发生的超孔隙水压力的时间和空间分布，并利用计算结果显示颗粒运动模式，并研究导致这一系列过程进行的力学因素，我们考虑了取决于颗粒形状和颗粒尺寸的现象的差异。 (2)密度流数值分析中压力计算的预处理方法采用带预处理的Bi-CGSTAB方法求解C-HSMAC方法中的压力泊松方程，并讨论其效果。结果，我们确认预处理减少了计算时间。特别是，当使用多重网格方法作为预处理时，存在C-HSMAC方法的迭代次数明显小于其他求解方法的迭代次数的情况，并且这种现象也被认为会导致计算时间的减少。这是有可能的。