粒子法による熱流動解析の基礎研究

Fundamental study of a particle method for thermal-hydraulic analysis

岡 芳明*; 越塚 誠一*

Oka, Yoshiaki*; Koshizuka, Seiichi*

高速増殖炉の経済性や安全性のさらなる追及のためには、境界移動間題など解析領域自体が著しく変形する事象に対しても十分な精度で解析できる必要がある。粒子法は流体を粒子の集まりとして模擬するので、流体の変形を粒子の運動から直接計算できる。従って、解析領域が大きく変形する場合のみならず、流体が分裂や合体する場合にも特別な取扱いをせずに解析することができる。しかしながら、これまでに開発してきた粒子法では従来の差分法に比べて計算時間が長いため、大規模な問題に適用することは難しかった。そこで本研究では粒子法の基礎研究として、計算の高速化について研究を行った。計算コードの中でも計算時間を消費するのは、陰的な取扱いが必要な非圧縮条件の計算の部分である。そこで非圧縮条件の計算の中で中で用いられている修正係数の最適化、および近傍粒子リストの導入によって、大幅な計算速度の向上を実現した。改良された計算コードを用いて、海岸のように水深が一様に減少していく体系に波が打ち寄せる様子を計算した。波は垂直壁を移動させることで発生させており自由表、面を有する場合でも移動境界問題が粒子法では容易に扱えるごとを示した。

In order to enhance safety and economy of fast breeder reactors further more, numerical methods, which enables us to analyze large deformation of the domain due to, for instance, moving boundaries with satisfactory accuracy, should be developed. Since the fluid is represented by a group of particles in a particle method, it is easy to trace fluid flows by using the motion of particles. Fragmentation and coalescence as well as the large deformation of the fluid can be analyzed without any special techniques. The particle method the authors have been developing, however, needs much more computation time than that of the finite difference method in large problems at the moment. Thus improvement of the computation speed is focused on here as a fundamental study of the particle method. The dominant routine for the computation time in the code is the calculation of incompressibility because of implicit discretization. In the present study a correction parameter is optimized and listing of neighboring particles is incorporated, which has realized extensive improvement of the computation speed. The improved code is applied to a problem of propagation of surface waves at the coast where the water depth decreases uniformly. The waves are generated by oscillating motion of a vertical wall. This proves that moving boundaries can be dealt with in the particle method even if a free surface is involved.