ガス巻き込み現象数値解析に関する研究2

Numerical study of gas entrainment phenomena, II

田中 伸厚*; 大島 宏之

Tanaka, Nobuatsu*; Ohshima, Hiroyuki

本研究ではガス巻き込み現象を対象に,乱流解析手法の調査・検討を目的とした解析を実施した。守屋実験体系において,従来手法のSmagorinskyモデル(SM)と,室田によって提案された局所スケール平衡仮定(LISEA:Local Inter-Scale Equilibrium Assumption)の概念を導入したダイナミックSmagorinskyモデル(DSM)の2種類のLESモデルの比較を行い,岡本実験体系乱流の解析では乱流モデル(LISEA)の有無による比較を行った。解析において,複雑体系への適用性の観点から,コロケート格子を採用した。コロケート格子は速度の定義点において連続の式を満足させることは難しく,そのための補間により,スタガード格子よりも精度が低下することが知られている。そこで,精度の改善を図った稲垣らの方法を導入した。解析の結果,以下の知見が得られた。(1)守屋体系解析 速度分布の比較結果において,SM(Cs=0.1)とLISEAには明確な差は見られなかった。SM(Cs=0.2)の速度分布は,SM(Cs=0.1)やLISEAに対してなまっており,実験に対して最もわるい結果となった。定性的にはいずれの結果も実験結果とよい一致を見せた。渦粘性分布はSMとLISEAでまったく異なる分布となった。SMではCsの値によりその結果が大きく異なったことから,モデルパラメータの影響は大きく,LISEAの有効性が確認できた。(2)岡本体系解析 乱流モデル(LES)の影響に対する検証として,DNSとLISEAの結果を比較した。解析結果の比較は主流方向平均流速分布,主流方向速度の時間変化および周波数分析結果によって行い,平均流速分布と主流方向速度の時間変化に関してはDNSとLISEAの間に明確な差は見られなかったが,DNSではある程度計算が進んだ時点で逆流が見られた。このことからLISEAは数値計算を安定化する方向に作用したと考えられた。

In this study, we carried out some numerical benchmark in order to survey effectiveness of some LES methods for the phenomena of gas entrainment. Considering the complicated geometry problems, we chose a collocated variable system combined with the high order scheme proposed by Inagaki. In numerical analysis of the Moriya's experiment, we focused on the effect of Smagorinsky model (SM) and Dynamic Smagorinsky Model (DSM) with LISEA (Local Inter-Scale Equilibrium Assumption of Energy), propsed by Murota, and in numerical analysis of the Okamoto's experiment, we focused on the effectiveness of LISEA.(1) Numerical analysis of Moriya's experimentWe compared the results obtained by the LISEA with those of the SM. In such a cylindrical geometry, the empirical parameter of SM is not known, so we performed two cases of simulations with Cs=0.1 and 0.2. Comparing the velocity profiles, clear difference between SM (Cs=0.1) and LISEA was not observed. In the case of Cs=0.2, the results are worse than the results of the other two cases. The eddy viscosity distributions of SM and LISEA are quite different. While the results by the SM are depends on the definition of empirical parameter, the LISEA do not need any empirical parameters or dumping function. Consequently, the LISEA is superior to the SM in the case of such a complicated problems. (2) Numerical analysis of Okamoto's experimentWe surveyed effects of turbulence models through comparison of numerical results of DNS and LISEA models. From viewpoint of some distinguishing physical quantities, there is little difference between the results of DNS and those of LISEA. Since the reversed flow around the outlet boundaries, which is not observed in the LISEA simulation, was observed in the DNS simulation, the LISEA makes an effect of numerical viscosity and stabilize the numerical solution.