非構造格子系における気液二相流数値解析手法の適切な定式化

Appropriate formulation of gas-liquid two phase flow simulation on unstructured mesh

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 山本 義暢*

Ito, Kei; Kunugi, Tomoaki*; Yamamoto, Yoshinobu*

FBRシステム内において発生するガス巻込み現象を高精度に評価することを目的として、非構造格子系における気液二相流数値解析手法の構築を実施している。本件では、気液界面近傍における表面張力と圧力の非平衡によって誘起される非物理的な流速分布、及び気液界面位置における速度定義式の不適切さによって誘起される非物理的な圧力分布に関して考察を行い、物理的に正しい解が導かれるような修正を実施した。表面張力と圧力の非平衡については、気液界面近傍における圧力勾配を局所的な表面張力と圧力のバランスから求めるようにした。気液界面位置における速度定義式に関しては、気液各相の速度をそれぞれ計算し、それらの値と流体率の値を用いて速度を計算する手法を構築した。改良した気液二相流数値解析手法を用いて、静止水中の上昇気泡を対象とした解析を実施した。構造格子系において、解析結果は物理的な矛盾を生じることなく実験結果と一致する気泡形状を導いた。三角形格子を用いた非構造格子系においても、解析結果の各時刻において構造格子系における解析結果とよく一致する気泡形状が得られ、非構造格子系においても十分に精度よく解析を実施できることがわかった。

To evaluate gas entrainment phenomena in fast reactor systems accurately, we are developing a high-precision gas-liquid two-phase flow simulation method on the unstructured mesh. As a part of the development, an appropriate formulation was newly derived based on collocated variables' distributions employed in our unstructured simulation method. This formulation satisfied a mechanical balance between surface tension and pressure gradient at interfacial region. A definition formula of each phase's velocity near interfacial mesh cell was also improved to calculate physically correct velocity. The improved method was verified by simulating a rising air bubble in static water. It was confirmed that the new formulation eliminated unphysical interfacial behaviors induced by inappropriate formulations, and led similar air bubble shapes with experimental data both on the structured and the unstructured meshes.