CIP有限体積法によるレーザー溶融・凝固シミュレーション

Numerical simulation of laser welding processes with CIP finite volume method

山下 晋   ; 米本 幸弘; 山田 知典; 功刀 資彰*; 村松 壽晴

Yamashita, Susumu; Yonemoto, Yukihiro; Yamada, Tomonori; Kunugi, Tomoaki*; Muramatsu, Toshiharu

多相流体界面間の物理量輸送及び各相と自由界面との相互作用問題は、産業分野だけでなく学術研究分野においても多く見られ、非常に重要な研究分野であると言える。しかしその複雑さゆえに詳細な機構は未だ十分に明らかになっていない。コンピュータの飛躍的な性能向上に伴い、自由界面を有する流体現象を詳細に知ることができるようになってきているが、数値計算的にも極めて難しい問題であり、高精度で信頼性の高い計算手法を用いる必要がある。そこで、本研究は幾つかの先進的な手法を用いて、相変化を伴う気・液・固数値計算コードを開発した。このコードは、幅広い自由界面を有する現象に適用することができ、例えば原子炉の溶接部の保守保全に幅広く役立つことが期待される。本研究では、原子炉内伝熱管のレーザー溶接補修に着目し、本数値計算コードによりレーザー溶融・凝固シミュレーションを行った。その結果、レーザー溶接特有の現象を再現することができた。よって、本シミュレーションコードが将来的に原子炉の溶接部保守保全に対し大いに貢献できることが示唆される。また、大型放射光施設SPring-8でのレーザー溶融観察実験との比較検討について発表する予定である。

Quantitative evaluation and controlling the residual stress which is induced by laser welding is of important problemfor a life extension of FBRs (Fast Breeder Reactors) and the guarantee of the reliability of the repair processes. Numerical simulation is an effective tool for deep understanding of their problems and it needs to have high accuracy, robustness and reliability. We have recently constructed the fully parallelized laser welding simulation code which satisfies above aspects using some advanced numerical models. Concretely, VSIAM3 (Volume and Surface Integrated Average based Multi Moment Method) numerical model as the spatial discretization, an efficient free surface capturing scheme, THINC scheme, and FAVOR method as the solid phase expression has been applied to the code. We have conducted modest large-scale laser welding simulations by using a supercomputer in Japan Atomic Energy Agency and obtained some preliminary results. And reasonable results were obtained.