【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】13650168 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

数値流体力学 / 乱流 / ラージ・エディ・シミュレーション / 差分法 / 有限要素法 / 非定常流れ / 計算安定化 / 数値計算誤差

【研究成果の概要】

複雑な乱流場の解析手段としてラージ・エディ・シミュレーション(LES)が統計平均モデルに比べて近似の一般性は高い解析方法として注目されているが、工学一般の問題へ拡張するには多くの研究課題を残しており、特に、数値的安定性と計算精度をいかに満足させるかがLES実用化に当たっての共通の課題となっている。LES実用化の観点からはSGSモデルと数値誤差の効果を同時に考慮した最適化が求められ、乱流現象の特性を保存しながら数値的な安定性を保証できる計算法の構築と、数値誤差を前提としたSGSモデルの再評価が必要となる。本研究では特に非圧縮性乱流のLESで指摘されるいくつかの課題を検討して問題点の解明を試みるとともに、LES数値解析法の改良と検証を行った。本研究では、1)ダイナミックSGSモデルの定式化に関する数値検証、2)DNSデータから抽出される微細組織渦に着目したSGSモデルの適合性の検討、3)乱流LESにおける流入変動の影響を軸対称バーナ燃焼流れに適用検討について昨年度に引き続き研究を進めるとともに、4)LESの数値解における不安定な数値振動を局所的に検出、抑制する計算手法を提案して剥離流れを伴う基礎的な流れ問題についての数値検証を示した。また、これらのLES非定常解析法の応用としては、スプレー混相乱流のLES解析、燃焼器の予混合火炎およびバーナ拡散火炎のLES解析、脈動を伴う脳動脈血流の非定常解析などの解析事例において適用性を確認した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】4,000千円 (直接経費: 4,000千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】11875045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

血流 / 数値流体力学 / 医療画像 / 脳動脈瘤 / 可視化 / 有限要素法 / 脈動流 / 血管形状

【研究成果の概要】

くも膜下出血の原因となる脳動脈瘤の発生および破裂は、年令や性差による血管の伸び・曲がりなどの血管形状による流体力学的な因子(流動パターンあるいはせん断応力)の変化が大きく関与していると考えられる。本研究は脳動脈瘤の発生・破裂のメカニズムの解明を目的とし、CT(Computed Tomography)に基づく実形状の血管を用い、超音波流速計によって測定された脈動境界条件として与えることにより、脳動脈内での血流シミュレーションの手法とシステムの開発を行った。本年度は3つの課題に対して以下の成果が得られた。
課題1 CTデータを用いた内頚動脈内の数値シミュレーション
CTからの血管抽出(pre-processing)、解析(analyzer)、結果の可視化(post-processing)の一連のシステムの構築を行った。また、曲がりの形状をパラメトリックに変化させることにより、壁面せん断応力あるいは2次流れの過渡的な変化を定量的に考察・検証した。
課題2 流入および流出境界条件の検証
超音波流速計に基づいて脈動する流入境界条件に対して、流入面に対して放物線分布であるポアズイユ分布と面内の脈動を考慮したウォームズリーの境界条件について検証した。その結果、壁面せん断応力の変化はレイノルズ数に依存しており、軸方向成分の変化にはあまり影響を受けないことがわかった。流出境界条件については、一次元モデルを用いた手法の構築を行っている。
課題3 PIVによる実験検証
実験モデルおよび脈動装置を作成し、可視化実験を行った結果、作動流体や形状による屈折が計測結果に影響を与えないことを検証した。複雑な形状であるため、現在は位置決めなどのキャリブレーションの方法および壁面せん断を求めるための壁近傍での計測方法について検討を行っている。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1999

【研究分野】建築構造・材料

【研究領域課題番号】11555154 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

局部火災 / 金属構造 / 入射熱 / 温度上昇 / 数値流体力学 / 有限要素法 / 耐火設計 / 発熱速度 / 耐火構造 / 火炎 / 渦崩壊モデル / 火災

【研究成果の概要】

(1)独立火炎に近接する柱の局部火災加熱効果の明確化
近傍の火炎に曝露される柱の加熱・温度応答を模型実験で測定し、定常一様加熱を仮定した場合の理論表面温度と比較して、柱が一表面で火炎に曝露される場合は定常一様加熱の50-90%に表面温度上昇が緩和されること、また、この効果は火源・柱間に僅かでも間隔があると顕著になることを明らかにし、局部火災加熱の概念に基づく火災安全設計の有効性と計画指針を示した。なお、柱が火炎に囲まれる場合についても同様の実験を行ったが、この場合は火災加熱の局部性に基づく温度上昇の緩和は期待できないことを示した。
(2)局部火災加熱を受ける柱・梁の加熱性状のモデル化
模型規模の鉄骨柱試験体により、火炎に正対する柱表面の入射熱分布が、火源の無次元発熱量、火源・柱間の無次元距離で整理できることを明らかにし、これらを入力して入射熱分布を求められるように図表化した。梁については、研究代表者らが過去に同様の図表化を行っているが、これも模型規模の実験によっていたため、本課題では、柱・梁とも、実大規模の試験体による実験を実施し、模型規模で明らかにした加熱性状が実大規模にも適用できることを示した。また、梁については、数値流体力学により、入射熱分布を誤差30%程度以内で予測できることを示した。
(3)局部火災加熱を受けた時の部材の温度応答予測計算法の確立
(2)で誘導した部材の入射熱を境界条件として、有限要素法により柱の温度分布を予測する手法を開発した。入射熱は、測定値と熱収支モデル上の定義の間に系統的な差異があるため、ここでは標準状態で数値計算と実測値を比較して表面熱伝達率をチューニングする方法を提案し、他の実験条件でも計算値と測定値が良く一致することを示した。なお、梁については、研究代表者らが過去に、より簡便な材軸方向のみを考慮した1次元の差分法でも良い精度で温度を予測できることを示していたが、本課題では、柱では入射熱・表面温度の分布がより顕著になるため、部材表面の二次元的分布を無視できないことを示した。
以上により、金属構造について、局部火災加熱の概念が有効に働く条件を明らかにし、火源発熱速度を入力条件として、角柱・H型梁の温度分布を計算で予測することを可能にした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】13,800千円 (直接経費: 13,800千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】10650160 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

数値流体力学 / 乱流 / ラージ・エディ・シミュレーション / サブグリッドモデル / 燃焼流 / 混相流 / 有限要素法 / 差分法

【研究成果の概要】

直接解析が適用できない複雑乱流場の解析手段としてラージ・エディ・シミュレーション(LES)が挙げられるが、工学一般の問題へ適用するには未だ研究課題を残している。Germanoらの提案したダイナミックSGSモデルは基礎的研究では多くの課題に優れた結果を与え、LESにおける汎用的な乱流モデリングとして注目される。本研究では、乱流LESのより広範囲な応用を進めることを目的として、ダイナミックSGSモデルの考え方に基づいた複数乱流場のLESモデリングの実用的な定式化を示し、その数値計算上の問題点を明らかにするため以下の研究を行った。
a) G方程式に基づく予混合乱流モデルをダイナミックSGSモデルによって定式化し、剥離により保炎される燃焼器の乱流火炎予測への適用により有効性を検証した。
b) 固気流混相流の粒子による乱流変調を考慮したLES方程式をダイナミックSGSモデルに基づき改良し、チャンネル乱流に適用して適切なモデル定数評価が得るとともに、GS成分方程式の散逸効果が不十分である要因を考察した。
c) ダイナミックSGSモデルがbackscatterの評価に不十分であることを考慮して、局所瞬時の解を明示的に反映するSGSモデルを新たに提案した。チャンネル乱流などでの数値検証により、このSGSモデルが壁近傍渦構造を抽出しうることを示した。
d) ダイナミックSGSモデルを適用して外力効果を考慮したSGSモデルを構築し、回転場および浮力の働く基本的な流れ場に適用して数値検証した。
e) LESの正確な検証に適用できる高精度な解析法として、基礎式の保存性を考慮した一般座標系格子差分法および有限要素法を導入した解析コードを試作し有効性を実証した。
f) 実用的LESの数値計算上の課題である数値不安定性に対して、陽的空間フィルタや対流項スキームの導入により生じる影響について検証した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】04452139 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

乱流数値解析 / ラージ・エディ・シミュレーション / サブグリッドモデル / 一般座標系 / 有限要素法 / 速度境界条件 / 平面乱流噴流 / バックステップ流れ / Dynamic SGSモデル / 流出速度境界条件 / 流れの画像表示 / 数値解析 / 数値流体力学 / 乱流 / ラージエディシミュレーション / 乱流モデル / 境界適合座標 / 境界条件 / 剥離

【研究成果の概要】

ラージ・エディ・シミュレーション(LES)は、これまで主に乱流構造の基礎研究のための数値解析法として比較的単純な流れ場に適用されてきた。しかし、計算機ハードウェア性能の向上によって、これまで以上に詳細な解析が可能となったため、乱流の基礎研究においてはLESにかわって近似モデルを用いない直接シミュレーション(DS)が試みられつつあり、LESに対してはDSを適用できない複雑な流れ場の解析手段としての有用性が注目される。そこで、本研究ではLESを工学における複雑な乱流場に適用する際の課題について検討して基礎的な数値検証を行うとともに、比較的複雑な流れ場へLESを適用して工学的有用性を検証した。基礎的課題としては、LESで用いられる空間フィルタおよびサブグリッド(SGS)モデルの検討、特に複雑な乱流場解析に適すると考えられるDynamic SGSモデルの定式化と基礎的な数値検証、壁面における近似速度境界条件の検証、流出速度境界条件および圧力境界条件の検討と数値検証、一般座標系格子におけるLESの精度検討、有限要素法(FEM)による定式化と基礎的な数値検証を行った。工学的流れ場への応用例として、平面乱流噴流およびバックステップ流れのLES結果を示し、前述の基礎的研究成果も踏まえて、境界条件、計算格子などの影響やSGSモデルの適用性について検証した。統計量や乱流構造は工学的に十分な精度で予測されており、乱流モデル検証に有用なデータベースが得られた。また、これらの数値検証を効率的に行うために3次元非定常流れ場の画像表示手法を活用したほか、一部の解析結果についてはアニメーション表示の事例も示した。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】7,100千円 (直接経費: 7,100千円)