格子ボルツマン法による水平層状二相流の界面成長及び変形に関する研究

Study on interfacial growth and deformation of horizontal stratified two-phase flow by lattice Boltzmann method

海老原 健一   

Ebihara, Kenichi

本論文では、格子法の気液モデルの有用性を検討し、さらに格子ボルツマン法気液モデル(HCZモデル)を、格子ボルツマン法の適用例が見られていない水平層状二相流の三次元シミュレーションへ適用した。その結果、以下のことが明らかになった。(1)HCZモデルによってシミュレーションされる二相界面が、Kelvin-Helmholtz不安定性理論を、二次元及び三次元の場合について満足することがわかった。(2)矩形断面流路中の界面成長シミュレーションにおいて、界面成長と流動状態の関係が、理論的考察によって得られるTaitelとDuklerの流動様式線図を再現できることがわかった。(3)流路幅が異なる場合の界面成長シミュレーションによって、流路幅が狭くなった時、流れの三次元性の影響が顕著となり、界面成長に必要な低密度相の流量が、理論的流動様式線図から得られる値より大きくなることが明らかとなった。(4)界面成長より複雑な界面現象を示す液滴発生シミュレーションにおいて、液滴発生とその時の流動状態の関係が、IshiiとGrolmesによって提案された実験相関式を、ほぼ再現できることがわかった。

In this thesis, first the liquid-gas models of the lattice method are examined by applying them to two-phase flow simulations. Next the liquid-gas model(the HCZ model) of the lattice Boltzmann method is applied to the three-dimensional simulation of the horizontal stratified two-phase flow. The following results are obtained. (1)The two- and three- dimensional interface simulated by the HCZ model satisfies the Kelvin-Helmholtz instability theory. (2)In the simulation of the interfacial growth in the rectangular channel, it is found that the relation between the interfacial growth and the flow state is in agreement with the flow regime map proposed theoretically by Taitel and Dukler. (3)It is also found that the three dimensionality becomes remarkable and the interfacial growth needs more flow rate of the rare phase than that of the theoretical flow regime map when the channel width is narrower. (4)In the droplet creation simulation, it is found that the relation between the droplet creation and the flow state simulates the experimental correlation proposed by Ishii and Grolmes.