気液二相流シミュレーションによる泡沫による断熱解析

Gas-liquid two-phase flow simulation for thermal insulation effect by foam

Sitompul, Y.  ; 青木 尊之*; 渡辺 勢也*; 杉原 健太 ; 高木 知弘*

Sitompul, Y.; Aoki, Takayuki*; Watanabe, Seiya*; Sugihara, Kenta; Takaki, Tomohiro*

泡の形成とその断熱特性は様々な産業において極めて重要である。本研究では、Cumulant Lattice Boltzmann Method (LBM)とMultiphase Field (MPF)を用いた数値シミュレーションを行い、泡の生成とその断熱特性を検討する。キュムラントLBMは、並列計算機を用いた安定で効率的な流体力学シミュレーションのために採用されている。MPFモデルは、1つのセル内で複数の気泡界面のシミュレーションを可能にするため、気泡の合体を防ぐことができる。泡を介した熱輸送を研究するために、冷たい空気で冷やされた熱湯の入ったコップのシナリオに焦点を当てる。泡がなければ、熱輸送は強制的な空気対流と水中の自然対流によって加速される。しかし、泡が存在すると、泡は滞留空気層として機能する。熱は主に泡内の伝導によって運ばれる。泡は効率的な断熱材として機能し、対流熱伝達を妨げ、湯温の保持を長持ちさせる。

Foam formation and its thermal insulation properties are crucial in various industries. This study presents a numerical approach using the Cumulant Lattice Boltzmann Method (LBM) with Multiphase Field (MPF) to simulate foam formation and investigate its thermal insulation characteristics. The cumulant LBM is employed for stable and efficient hydrodynamics simulation using parallel computers. The MPF model allows the simulation of multiple bubble interfaces in a single cell, thus preventing bubble coalescence. To study the heat transport through the foam, we focus on a scenario involving a cup of hot water cooled by cold air. Without foam, heat transport is accelerated by forced air convection and natural convection in water. However, when foam is present, it acts as a stagnant air layer. The heat is transported primarily through conduction within the foam. The foam serves as an efficient thermal insulator, impeding convective heat transfer and prolonging the retention of hot water temperature.