鉛直チャネル内での固液二相流の解析

3.2.3 鉛直チャネル内での固液二相流の解析

量混合比m M_pin/M_fin 1.1 10^-2を満たすように乱数を用いて流入させた．固体粒子の 密度は _p 2590kg/m³ （比重： _p / _f 2.59)，粒子径はd_p=500μm=1.67×10^-2W であ る．ストークス数は，St=0.43である．

比較対象とした菱田らの実験^[92]では，チャネル入口から45Wより下流の十分発達した 乱流場を対象としている．そこで，本解析においても無次元時刻 tUc /W=100 まで非定 常解析を行い，十分発達した流れを求め，空間周期境界 L 間の中心位置での解析結果 を実験結果と比較した．

(3) 解析パラメータ

境界パネルの長さ ： l_bp /W =0.025～0.1 境界パネル枚数 ： Nbp=200

壁面上の速度参照点高さ ： h/W=0.00254 流れ解析の時間刻み ： t_fU_c /W =0.025 粒子解析の時間刻み ： t_pU_c /W =0.0025 一個の標本粒子が代表する実際の粒子数： Np=1

(4) 解析結果と考察

解析例として瞬時の渦要素分布，速度分布，固体粒子分布の結果を図3.2.3-2 に示す．

図 3.2.3-2 の解析結果は，流入出境界に空間周期境界条件を用いて，無次元時刻 tUc

/W=100まで非定常解析して得られた結果である．流動条件が完全発達乱流場であるた

め，解析結果においても鉛直および水平方向の液相流れに不規則な乱れが現れている．

後述するが，特に壁面近傍では非定常性が強い（図3.2.3-4）．

次に，本解析で得られた液相および固体粒子の流れ方向の時間平均速度分布と，菱田 らの実験結果^[92]との比較を図3.2.3-3 に示す．解析，実験ともに固体粒子速度upは液相 速度ufより大きな値となっている．本条件は液相，固体粒子とも鉛直下降流であり，固 体粒子密度が液相密度より大きいために，固体粒子は液相に先行して下降した．解析結 果と実験結果とを比較すると，液相速度，固体粒子速度ともに定量的に良く一致してい ることがわかる．これにより，本解析手法が基本的な高レイノルズ数の固液内部流に対 して有効に適用できることがわかった．

また，液相および固体粒子の流れ方向の変動速度分布を図3.2.3-4に示す．解析結果で は，流路中心に対して，やや非対称な分布となっている．これは，乱れの統計量の算出 に用いた総時間が短かったためと考えられる．液相に関する解析結果と菱田らの実験結 果^[92]を比較すると概ね一致している．ただし，壁面近傍において，解析では実験に比べ て変動速度が若干小さいことがわかる．この誤差は，今回の解析に用いた空間周期境界 条件に起因していると推測される．本解析では，流れ場の周期境界条件として，流出面

を離散化した境界パネル間における速度勾配を算出し，この速度勾配に相当する渦要素 を流入面から導入した．この方法では，流出面を離散化する境界パネルの総数が少ない 場合，空間的な解像度が低下してしまう．特に，乱れの強い壁面近傍において，解析の 誤差が大きく現れたと考えられる．この誤差については，流出境界面において速度勾配 を算出する際の空間解像度を高め，流入境界面から導入する渦要素数を増加させること で改善できると思われる．あるいは，固体粒子の周期境界条件としてモデル化したよう に，流出面から解析領域外に流出した渦要素に対して，流路幅方向の位置・速度・循環 量を保存して，流入面から導入する方法を適用することで，より高精度な解析ができる と考えられる．一方，固体粒子の変動速度をみると，本解析結果は実験結果よりも小さ い．これは，本解析において固体粒子の粒子径を 500 μ m 一定と仮定したためと考えら れる．実験で使用された固体粒子（ガラスビーズ）にはサイズのばらつきがあると想定 されるため，粒子径分布を解析に反映させる必要がある．このように，時間平均特性だ けでなく，時間変動特性までを精度良く解析するためには，粒子径分布による粒子速度 のばらつきを再現する必要がある．

図3.2.3-2. 瞬時の渦要素，液相速度，固体粒子の分布

ωW/Uc uf / Uc up / Uc

(a) 渦要素 (b) 液相速度 (c) 固体粒子 0.5

-0.5 0 1.1 1.1 1.4

0 0.25 0.5 0.75 1 0

0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5

y / W u

/ U

, u

/ U

Present numerical data

: liquid (one-way model) : particle

Experimental data (Hishida et al.) : liquid (single-phase flow) : liquid (two-phase flow) : particle

図3.2.3-3. 液相および固体粒子の時間平均速度分布（流れ方向）

0 0.25 0.5 0.75 1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

(u

'

)

/ U

, ( u

'

)

/ U

y / W

Present numerical data

: liquid (one-way model) : particle

Experimental data (Hishida et al.) : liquid (single-phase flow) : liquid (two-phase flow) : particle

図3.2.3-4. 液相および固体粒子の変動速度分布（流れ方向）

3.2.4 T字型合流路内での固液二相流の解析と実験