第 3 章 混相内部流への適用と検証
3.3 三次元解析（One-way 解析）
3.3.2 固気二相噴流の解析
3.3.2 固気二相噴流の解析
(2) 解析条件
ここでは，本研究で開発した内部流れ混相流解析の妥当性を評価するため，図3.3.2-1 のように内部流れとしてモデル化した．三次元の解析領域の左側面中央に円形噴流の流 入口境界がある．左側面の流入境界，右側面の自由流出境界を除き，その他の境界面は スリップ壁面境界とした．解析領域は，噴流ノズル径Dに対して，流れ方向に18D，流 れと垂直方向に9D×9Dとした．
噴流ノズル径D =8mmと噴流流出速度Vfin=14.9m/sを代表としたレイノルズ数は，Re=
7940である．気相は空気，固体粒子は平均粒子径58 μ mのガラスビーズである．固体粒 子は，空気との質量混合比m=Mp /Mf =0.6で供給される．ここで，ガラスビーズの密度は，
p=2500（空気に対して2500 倍）である．ストークス数は，St=48.3 である．また，重
力は噴流の流れ方向と同方向に作用する．
(3) 解析パラメータ
境界パネルの一辺の長さ ： lbp /D=1.0 境界パネル枚数 ： Nbp=810
流れ解析の時間刻み ： tfVfin/ D=0.25 粒子解析の時間刻み ： tpVfin /D=0.05 一個の標本粒子が代表する実際の粒子数： Np=5
(4) 解析結果と考察
① 気相および固体粒子の流れの定性的な比較検証
解析結果の一例として，瞬時の気相速度分布，固体粒子分布を図3.3.2-3示す．固体 粒子の色は，噴流軸方向の固体粒子速度である．
気相流れの解析結果を見ると，円形ノズルから 6D 程度下流までポテンシャルコア が形成されている．その下流では軸対称性が崩れ始め，半径方向に急激に乱流拡散し て軸方向流速が減速している．
一方，固体粒子は軸方向（重力方向）へほぼ直線的に運動し，気相に比べて半径方 向への広がりや非対称性が小さい．これは，本条件では気相と粒子の密度差が大きく，
粒子の慣性力が大きいためである．ストークス数をみても St=48.3 であり，粒子は気 相流れに追従し難いことがわかる．
比較対象である既存実験[8]では，噴流出口（流入境界面）での固体粒子速度が気相 に比べて半分程度遅い（vpz /Vfin ≒0.4）．これは，噴流出口の上流にあるノズル部にお いて，固体粒子が気相に追従していないためである．そこで本解析においても，固体 粒子の流入速度は既存実験に合わせて入力条件とした．そのため，固体粒子は，ノズ ル出口以降10D付近までは気相に引きずられて加速される．気流は下流で急激に減速
するが，粒子は慣性力によって，気流よりも一旦速くなり，その後減速に転じる．噴 流中心軸上の流れ方向速度の変化については，以降で記す図3.3.2-4のグラフを参照さ れたい．上記した本解析結果は，図3.3.2-2の既存研究結果（DNSを用いた解析[8]）と 定性的に一致している．
② 気相および固体粒子の時間平均速度・乱流強度の定量的な比較検証
噴流軸上の時間平均速度の変化，半径方向での時間平均速度・乱流強度分布に関し て本解析と既存実験[8], [103] - [106]を比較した結果を図3.3.2-4～図3.3.2-7に示す．
本解析では非定常計算の総時間が少なく，時間変動成分に関しては統計量の連続性 がやや欠けてしまった．実験と解析とを比較すると，気相および固体粒子とも定量的 に良く一致しており，本解析手法が時間平均値だけでなく，非定常現象まで精度良く 解析できることを示すことができた．
tV/D=70
tV/D=80
vfz /Vfin
vpz /Vfin
図3.3.2-3. 瞬時の気相速度分布，固体粒子分布
(b) 固体粒子の分布
(a) 気相の速度分布（噴流中心断面 x/D=0）
tV/D=70
tV/D=80
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
流れ方向位置 z/D 噴 流 軸 上 の 流 れ 方 向 平 均 速 度 v
fzm/ V
fin, v
pzm/ V
fin図3.3.2-4. 噴流軸上の流れ方向の時間平均速度
気相
：既存実験
：本解析
固体粒子
：既存実験
：本解析
0 0.05 0.1 0.15 0.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
半 径 方 向 で の 流 れ 方 向 平 均 速 度 v
fz/v
fzm, v
pz/v
pzm半径方向位置 η=y/z
図3.3.2-5. 半径方向での流れ方向の時間平均速度
気相 ：z=12D 固体粒子：z=10D
気相
：既存実験
：本解析
固体粒子
：既存実験
：本解析
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0
0.1 0.2 0.3 0.4
半 径 方 向 で の 流 れ 方 向 乱 流 強 度 ( v
fz'
2)
(1/2)/ v
fzm, ( v
pz'
2)
(1/2)/ v
pzm半径方向位置 η=y/z
図3.3.2-6. 半径方向での流れ方向乱流強度
気相 ：z=12D 固体粒子：z=10D
気相
：既存実験
：本解析
固体粒子
：既存実験
：本解析
0 0.05 0.1 0.15 0.2
0 0.1 0.2 0.3 0.4
半 径 方 向 で の 半 径 方 向 乱 流 強 度 ( v
fy'
2)
(1/2)/ v
fzm, ( v
py'
2)
(1/2)/ v
pzm半径方向位置 η=y/z
図3.3.2-7. 半径方向での半径方向乱流強度
気相 ：z=12D 固体粒子：z=10D
気相
：既存実験
：本解析
固体粒子
：既存実験
：本解析
3.3.3 T字型合流路内での固液二相流の解析