高粘性流体の数値シミュレーションに向けた表面張力モデルの開発と検証

CopyrightⒸ2020 一般社団法人日本機械学会. [No.20-48] 日本機械学会第 98 期流体工学部門講演会講演論文集〔2020.11.11-13，オンライン開催〕. OS01-04 高粘性流体の数値シミュレーションに向けた表面張力モデルの開発と検証. Development and validation of surface tension model . for numerical simulation of high viscous fluid. ○正室園浩司*1 *1 オフィス室園 Office Murozono. Key Words : High viscosity, Numerical simulation, Particle methods, Free surface flow, Surface Tension. ●緒言. 本研究の目的は実用化が進んでいない分野のシミュレーション技法を確立することで，着目している対象は高粘. 度の自由表面流れである．一般的に高粘度流体は非ニュートン性，物性の変化など，複雑な物理特性が絡み合っ. た挙動を示し，それらの十分なモデル化が難しいことが数値シミュレーションの実用化における障壁の一つとな. っている．一方，非ニュートン性などの特性に依らない高粘性流体挙動のみに着目した研究は少なく，筆者は独. 自にシミュレーションの妥当性検証の指標を考案し，研究を行っている(6)．. 講演では，高粘性流体挙動向けに開発した表面張力モデルの詳細と検証について発表する．一般的に高粘性流. 体は表面張力係数の測定が困難であるが，樹脂の糸曳など様々な高粘性流体に関する現象に於いて表面張力の効. 果は無視できないものと考えている．. ●シミュレーション技法と表面張力モデル. 本研究では，筆者が商用に独自開発した 3次元の粒子法ソフトウェアを用いる．粒子法には SPH法(1)やMPS法 (2)など様々あるが，当ソフトウェアは近藤らが提唱する MPFI法(3)を主機能としている．MPFI 法は大変形を伴う. 自由表面流れを非圧縮の近似の基で解き，圧力と粘性を同時に解くため時間積分スキームに起因する分離誤差が. 生じず，更に高粘度流体で無視することのできない剛体的な回転挙動を扱うことができるという特性がある．. MPFI法のアルゴリズムに，粒子間ポテンシャルによる表面張力モデル(4)を導入した．高粘性流体のシミュレー. ションでは自由表面の激しい変化より滑らかな変化が支配的であり，平衡状態に近い速度場が生じることも多い．. そうした特性を踏まえて粒子間のポテンシャル関数は独自のものを採用したうえで，粒子が自由表面において 2. 次元的最密構造を構成することを防ぐため圧力計算のソース項も独自の定式化としている．. ●検証. ハチミツ程度の粘度の流体を滴下する際に生じる Honey Coilに着目し，コイルの回転周期を指標とする検証を行. った．講演では表面張力の有無やモデル化による挙動の違い，および Ribeらの提唱するモデル式(5)や独自に行っ. た実験とシミュレーション結果の定量的な比較について報告する．. 文献. (1) J.J.Monaghan, Journal of Computational Physics 110.. (2) S.Koshizuka and Y.Oka, Nuclear Science and Engineering 123, 421-434 (1996). (3) 近藤雅裕, MPFI法を用いたビンガム流体シミュレーション, 第 21回計算工学回講演会論文集, A-08-01.. (4) 服部豪, MPS 法におけるポリゴン壁面上での濡れ計算モデルの改良, 日本機械学会論文集Vol.82, No.835, 2016. (5) N.M.Ribe et al, Multiple coexisting states of liquid rope coiling, J. Fluid Mech. (2006), vol. 555, pp. 275–297. (6) 室園浩司, 高粘性流体特有の挙動のモデル化と数値シミュレーション SCEJ 51st Autumn Meeting (2020) M116