Numerical analysis of melting/solidification phenomena using a moving boundary analysis method X-FEM

移動境界問題解析手法X-FEMを用いた融解・凝固現象の数値解析

内堀 昭寛 ; 大島 宏之

Uchibori, Akihiro; Ohshima, Hiroyuki

核燃料サイクルに現れる燃料や廃棄物の融解・凝固プロセスに対する評価ツールとして、拡張有限要素法(eXtended Finite Element Method: X-FEM)を用いた融解・凝固現象数値解析手法を開発した。移動境界問題の解析に用いられてきたX-FEMは、界面の移動を固定メッシュ上で精度よく再現できるという極めて有力な手法であるが、融解・凝固現象に対する適用については報告例が少なく、多次元問題への適用方法又は液相流動の現れる問題に対する適用方法について不明な部分が残されている。本研究ではこれらの課題について検討し、新たに定式化を行った。熱移動のみが発生する1次元Stefan問題及び2次元矩形領域コーナー部凝固問題、さらに、自然対流の発生する2次元ガリウム融解問題を解析することで、新たに構築した解析手法の妥当性を確認した。

A numerical analysis method for melting/solidification phenomena has been developed to evaluate a feasibility of several candidate techniques in the nuclear fuel cycle. Our method is based on the eXtended Finite Element Method (X-FEM) which has been used for moving boundary problems. In this study, a method to solve multi-dimensional problems involving liquid-phase flows was newly constructed. The numerical solutions of the one-dimensional Stefan problem, solidification in a two-dimensional square corner and melting of pure gallium are compared to the exact solutions or to the experimental data. Through these analyses, validity of the newly developed numerical analysis method has been demonstrated.