Free-surface flow simulations with floating objects using lattice Boltzmann method

格子ボルツマン法を用いた浮遊物体の自由表面流シミュレーション

渡辺 勢也*; 河原 淳*; 青木 尊之*; 杉原 健太 ; 高瀬 慎介*; 森口 周二*; 橋本 博公*

Watanabe, Seiya*; Kawahara, Jun*; Aoki, Takayuki*; Sugihara, Kenta; Takase, Shinsuke*; Moriguchi, Shuji*; Hashimoto, Hirotada*

津波氾濫や大雨の斜面災害では、多くの浮遊物や流木、丸太などが流れに含まれる。剛体衝突による構造物の被害は、水圧による被害よりも深刻である。浮遊物体を含む自由表面流れを研究するためには、大規模計算が可能で高性能な自由表面流のシミュレーションコードの開発が必要となる。本研究ではキュムラント格子ボルツマン法と粒子ベースの剛体シミュレーションを組み合わせた単相自由表面モデルを提案する。剛体間の接触相互作用は個別要素法で計算される。解析精度の向上と計算の高速化のために8分木ベースの局所細分化格子法を導入し、自由表面や固体表面近傍には高解像度の格子を割り当てた。提案モデルの精度検証のために、八戸工業大学と神戸大学の15m水槽と70m水槽で2種類の津波実験を行った。シミュレーションの結果、漂流速度、捕捉木片数、積層角について実験と良い一致を示した。

In tsunami inundations or slope disasters of heavy rain, a lot of floating debris or driftwood logs are included in the flows. The damage to structures from solid body impacts is more severe than the damage from the water pressure. In order to study free-surface flows that include floating debris, developing a high-accurate simulation code of free-surface flows with high performance for large-scale computations is desired. We propose the single-phase free-surface flow model based on the cumulant lattice Boltzmann method coupled with a particle-based rigid body simulation. The discrete element method calculates the contact interaction between solids. An octree-based AMR (Adaptive Mesh Refinement) method is introduced to improve computational accuracy and time-to-solution. High-resolution grids are assigned near the free surfaces and solid boundaries. We conducted two kinds of tsunami flow experiments in the 15 and 70 m water tanks at Hachinohe Institute of Technology and Kobe University to validate the accuracy of the proposed model. The simulation results have shown good agreement with the experiments for the drifting speed, the number of trapped wood pieces, and the stacked angles.