気液界面上において圧力と表面張力の力学的釣合い条件を完全に満足する高精度数値解析手法の非構造格子系における定式化

Formulation of high-precision CFD method on non-orthogonal meshes with rigorous mechanical balance at gas-liquid interface

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

Ito, Kei; Kunugi, Tomoaki*; Ohshima, Hiroyuki

複雑な気液二相流現象を評価するために気液二相流数値解析が用いられており、著者らもガス巻込み現象への解析適用性を研究している。そのために、著者らはガス巻込み現象を直接計算できる高精度気液二相流数値解析手法の開発を行っている。その際、ガス巻込み現象は局所体系形状依存性が強いため、複雑形状模擬性に優れる非構造格子を採用している。さらに、気液界面における力学的不釣合いが非物理的挙動を引き起こすことに注目し、本研究では、非構造格子系において圧力と表面張力の力学的釣合い条件を厳密に満足する定式化を行った。本定式化においては、界面における圧力のジャンプ条件と整合する形式で、ラプラスの式に基づく表面著力ポテンシャルを導入した。液中気泡を対象とした検証解析によって、本定式化が非物理的挙動の発生を完全に抑制できることを示した。

We are developing a high-accuracy gas-liquid two-phase flow simulation method to achieve direct simulations for the gas entrainment (GE) phenomena. Since the GE phenomena is highly affected by local flow path geometries, non-orthogonal meshes are employed to achieve accurate modeling of the geometries. In addition, we are focusing on mechanical balance conditions at gas-liquid interfaces because unphysical behaviors are often induced due to mechanical unbalances. In this paper, appropriate formulations satisfying rigorous mechanical balances between surface tension and pressure are derived on non-orthogonal meshes. In the formulations, a surface tension potential is introduced based on the Laplace equation as a consistent form with a formulation of a pressure jump condition at gas-liquid interface. Finally, the new formulations are verified by calculating a stationary gas-bubble in liquid. As a result, the present method succeeds in eliminating completely unphysical phenomena.