格子法·粒子法のカップリングを用いた三次元多相流計算手法の開発

摘要

現在、コンピュータの性能の向上と共に、航空宇宙·機械·船舶·エネルギー·化学·医療など様々な産業分野において、Computational Fluid Dynamics（CFD）が活用されている。現在のCFDの主流はオイラー法に基づく格子法であるが、近年、ラグランジュ法に基づき、作動流体を球体要素の集合として離散化を行う粒子法が開発されている。粒子法は、ラグランジュ的手法であることから、数値拡散の原因となる対流項を扱う必要が無く、また、界面の変形がVOF法における流体充填率のような間接的な変数を介さず、計算点の移動により直接表現され、界面にあわせた格子の再生成も必要ないという利点を持っている。これらの特徴から、特に自由界面の大変形を含むケースへの適用性が高い。界面の取り扱いにおいて大きな利点を持つ粒子法であるが、計算空間内において計算解像度を変更することが困難であり、従来の格子法と比較して、計算コストが高いという欠点を持っている。そこで、界面の扱いに特化した粒子法と計算コストが低い格子法とのカップリングにより、手頃な計算コスト、高い界面捕捉性能及び広い適用範囲を併せ持つ計算手法の開発が可能となると考えられる。格子法·粒子法のカップリングによる多相流の研究として、MPS法と有限体積法のカップリングによる気泡上昇やRayleigh-Taylor不安定·Kelvin-Helmholts不安定のシミュレーションが行われているが、三次元多相流のシミュレーションやその定量的な評価はなされていない。本研究では、格子法·粒子法としてそれぞれ非圧縮性の取り扱いに特化したE-MPS（Explicit-Moving Particle Simulation）法·MAC（Marker and Cell）法を採用し、両手法間の相互作用を考慮したtwo-wayカップリングを行うことで、各相聞の相互作用を再現できる計算手法の開発·検証を行った。計算手法検証としては、せh断流内の液滴の変形シミュレーションを行い、今回開発した計算手法により得られた液滴の変形挙動の結果とこれまでの数値的·実験的研究の結果との比較を行った。