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Wang, Z.; 杉山 智之
Engineering Analysis with Boundary Elements, 144, p.279 - 300, 2022/11
被引用回数：3 パーセンタイル：61.71(Engineering, Multidisciplinary)Numerical simulation of gas bubbles rising in liquid is challenging due to high density and viscosity ratios. This study proposes to separately model the liquid and gas phases by the incompressible Moving Particle Semi-implicit (MPS) method and the Weakly Compressible MPS (WCMPS) method. The liquid-gas phase interface is explicitly represented by a series of discrete nodes. By adequately enforcing the stress balance equation on these moving interface nodes, the MPS and WCMPS methods are coupled. Rather than being treated as the volume force, the surface tension is considered as a pressure jump at the interface. Without applying any smoothing or averaging scheme, the density, viscosity and pressure are discontinuous across the interface. The axisymmetric formulation is directly introduced based on the least squares scheme to save computational cost. In addition, a multi-time step algorithm is proposed so that independent time increments can be adopted for different phases. Furthermore, the particle shifting technique is extended to control the multi-spatial resolution dynamically and maintain the particle distribution quasi-isotropic. Several numerical tests, including hydrostatic pressure problems, droplet deformation and bubble rising benchmark are conducted to show the accuracy, efficiency and stability. Finally, validations are performed using experimental results with wide ranges of Reynolds number and Bond number, which dominate the bubble shape.
Wang, Z.; 杉山 智之
Engineering Analysis with Boundary Elements, 135, p.266 - 283, 2022/02
被引用回数：4 パーセンタイル：52.33(Engineering, Multidisciplinary)The moving particle semi-implicit (MPS) method has great potential in dealing with free surface flow due to its Lagrangian nature. In most cases, the free surface boundary is simply served as the pressure boundary condition. In this paper, an improved MPS method is presented for thermocapillary driven free surface flow. A series of surface nodes explicitly represent the free surface boundary. The normal stress on the free surface provides the Dirichlet pressure boundary condition, while the velocity boundary condition, i.e., Marangoni stress, is enforced through the Taylor series expansion and least squares method. Meanwhile, a quasi-Lagrangian formulation is introduced to avoid particle clustering and the corresponding numerical instability by slightly modifying the advection velocity. The upwind scheme is employed for the convection term to obtain accurate and stable results. A novel constraint scheme with the divergence of provisional velocity is developed for the pressure gradient to enhance stability further. The consistency of the derived generalized boundary condition is firstly verified with a simple convergence test. Then, several numerical tests, including square patch rotation, lid-driven and square droplet oscillation, are simulated to show the improvements. Finally, thermocapillary driven flows in an open cavity without and with buoyancy effect are studied. Good agreements are obtained by comparing with reference simulations taken from literature. Heat transfer characteristics are further investigated for different dimensionless numbers, including the Rayleigh number and Marangoni number.
Bains, R.S.*; 杉本 純
Engineering Analysis with Boundary Elements, 14, p.267 - 275, 1994/00
被引用回数：4 パーセンタイル：76.68(Engineering, Multidisciplinary)局所的なホットスポットを含む薄肉配管に対する数値解の収束解析を実施した。空間メッシュの細分化に基づいた収束解のパターンが存在する。ホットスポットの近傍で配管内面とホットスポットの温度変化を記述するために温度遷移領域(TTR)を導入した。TTR内の唯一可能な温度場は、BEM法で用いられる内挿関数で表現されるものである。さらに、TTRが薄すぎると数値的な不安定性が起こり、正しくない解を与える場合があることを明らかにした。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Engineering Analysis with Boundary Elements,11, p.39 - 45, 1993/00
エネルギー1群の核分裂中性子源反復計算を境界要素法で実行する際に多重相反法(MRM:Multiple Reciprocity Method)をあてはめた定式化を試みた。第m回目の中性子源反復において核分裂中性子源に関わる領域積分が、多重相反定理の活用により、(m-1)個の境界積分に変換される。この境界積分の実行には零次から(m-1)次の高次基本解が必要であり、2次元問題では高次の変形ベッセル関数を使って記述される。またこの境界積分では、過去の中性子源反復で計算された境界上の中性子束及び中性子流を保存しておく必要がある。ここで示された定式化は2次元問題と3次元問題の両方に適用可能である。この定式化に基づく計算コードが実用になれば、領域内部の情報は全く不必要になり、境界のみを離散化すれば良いことになるので、境界要素法が持つ本来の利点が最大限に活かされることになる。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Engineering Analysis with Boundary Elements,11, p.87 - 90, 1993/00
2次元修正ヘルムホルツ方程式で記述される物理現象を多重相反境界要素法で解く際に必要となる高次基本解を導いた。(L-1)次の基本解をソース項にもつ方程式の第L次基本解は
=A
(kr)
K(kr)の形式をしている。ここにK(-)は第L次の変形ベッセル関数であり、係数AはA=A
/(2Lk
)で与えられて、初期値はA
=1/(2
)である。第L次基本解でこのように表わされることが示される。本報で示される高次基本解導出のプロセスは他の工学問題の微分方程式においても応用し得るものである。なお、修正ヘルムホルツ方程式は、そのまま中性子拡散方程式と同一型式であることが知られており、原子炉解析への応用が考えられる。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Engineering Analysis with Boundary Elements, 10, p.345 - 352, 1992/00
被引用回数：9 パーセンタイル：73.03(Engineering, Multidisciplinary)多重相反境界要素法を用いて中性子源反復計算を行う時、ある収束条件が満足されないとまるめ誤差が蓄積していく現象がみられる。この論文はこの数値誤差を除去できる多重相反法の新しい定式化を提案する。上記の収束条件が常に満足されるように中性子拡散方程式をWielandtの原点移動法の考え方に沿って変更する。この場合、境界積分方程式の組立に必要な基本解は、従来法では修正Helmholtz方程式での基本解であったのに対し新しい方法では標準のHelmholtz方程式に対するものとなる。この点を除けば境界積分方程式の型式は新旧で同一である。テスト計算の結果新しい方法によると中性子源反復は急速かつ安定に収束しまるめ誤差の蓄積に伴う数値的不安定現象はもはや見られなくなった。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Engineering Analysis with Boundary Elements, 8(5), p.239 - 244, 1991/10
被引用回数：9 パーセンタイル：76.25(Engineering, Multidisciplinary)近年着目されている数値解法である境界要素法を中性子拡散方程式にそのまま適用すると核分裂中性子源に関する項は領域積分となり、境界要素法の利点が十分に活かされない。本論文では、このような領域積分を等価な境界積分に変換する一般的手法を与えている。まず、実効増倍率は境界上の中性子束と中性子流のみを境界積分することで求められる。核分裂中性子源と基本解の積を核とする領域積分は、核分裂中性子源分布をフーリエ級数に展開することによって等価な境界積分に変換できる。この際に必要となるフーリエ展開係数は同じく境界積分で与えられるが、中性子源反復過程では前回の反復で得られた展開係数を使った漸化式の形式で与えられるので、効率的に反復計算を進めることができる。
