Bubble flow analysis using multi-phase field method

マルチ・フェーズフィールド法を用いた気泡流解析

杉原 健太 ; 小野寺 直幸   ; Sitompul, Y.  ; 井戸村 泰宏   ; 山下 晋   

Sugihara, Kenta; Onodera, Naoyuki; Sitompul, Y.; Idomura, Yasuhiro; Yamashita, Susumu

従来の界面捕捉法を用いた気液二相流のシミュレーションでは、気泡が互いに反発することを示す実験的証拠にもかかわらず、気泡が互いに近づくと数値的には合体する傾向があることが観察された。逐次的な数値合体が流動様式に与える影響が大きいことを考慮すると、近接した気泡の合体挙動を制御する必要がある。この問題に対処するため、各気泡に独立した流体率を適用することで気泡合体を抑制するMulti-Phase Field(MPF)法を導入した。本研究では、3重点における表面相互作用に関連する数値誤差を最小化するために、N-phaseモデルに基づくMPFを採用した。さらに、Ordered Active Parameter Tracking法を実装し、数百の流体率を効率的に格納した。MPF法を検証するために、円管内気泡流の解析を実施し、Colinらの実験データと比較した。検証結果は、気泡分布と流速分布に関して妥当な一致を示した。

In simulations of gas-liquid two-phase flows using conventional interface capture methods, we observed that when bubbles come close to each other, they tend to merge numerically, despite experimental evidence indicating that they would repel each other. Given the significant impact of sequential numerical coalescence on flow patterns, it is necessary to regulate the merging behavior of close bubbles. To address this issue, we introduced the Multi- Phase Field (MPF) method, which mitigates bubble coalescence by applying an independent fluid fraction function to each bubble. In this study, we employed the MPF based on the N-phase model to minimize numerical errors associated with surface interactions at triple junction points. Additionally, we implemented the Ordered Active Parameter Tracking (OAPT) method to efficiently store several hundreds of fluid fraction functions. To validate the MPF method, we conducted analysis of turbulent bubbly pipe flows and compared the results against experimental data from Colin et al. The validation results showed reasonable agreements with respect to the bubble distribution and the flow velocity profiles.