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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*
Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 17(1), p.2211143_1 - 2211143_23, 2023/00
被引用回数：9 パーセンタイル：79.51(Engineering, Multidisciplinary)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。
青木 尊之*; 下畑 和希*; 渡辺 勢也*; Sitompul, Y.; Dawei, S.*
no journal, ,
近年、豪雨や台風などの線状降水帯による土石流の発生による災害が急増している。土石流に対する最も有効な防災対策は、谷筋に設置する砂防堰堤である。日本は島国であるため、非常に多くの土石流危険渓流があるが、急峻な河川の直下に民家が広がっていることも多く、過去に災害が起こった箇所に優先的に砂防堰堤が設置されているのが現状であり、防災対策は十分とは言い難い。さまざまな砂防堰堤が建設されてきたが、その構造は経験的な知見によるところが多く、流体力学や土質力学の観点から十分に設計されていない。一方、これまでの土石流の流動解析は殆どが粗いメッシュで全体の流れを1次元の浅水波モデルに基づいて行う計算が殆どであり、2次元解析は数メートル格子を用いた限定的な範囲での計算しか行われていない。実際には土石流はさまざまなサイズの礫や流木が含まれていて、特に巨礫が土石流の流動に対してどのような影響を与えるかなどは未解明である。巨礫を止めるのに有効な透過型堰堤の鋼材間隔を検討するためにも、多数の巨礫を含んだ土石流と堰堤の3次元シミュレーションを行うことが必要である。個々の礫を解像しつつ、全体の土石流の流れに対して堰堤の有効性を検証する計算を行うには、かなり大きな計算資源が必要となり、GPUを多数搭載するスパコンを利用する。
Sitompul, Y.*; 青木 尊之*; 渡辺 勢也*; 杉原 健太; 高木 知弘*
no journal, ,
安定な液体薄膜による泡形成をモデル化するために、Multi Phase Field法とAdaptive Mesh Refinementを組み合わせたキュムラント格子ボルツマン法を開発した。提案手法では大きな密度比において質量保存を保ちながら、多数の気泡を含む3次元泡沫形成シミュレーションに成功した。さらに、提案手法を熱伝導計算に拡張し、断熱層としての泡の有効性を実証するために2次元の泡沫形成計算を行い、泡のある水とない水の熱伝達を比較した。本計算で泡沫が滞留空気層のように作用することで水温を保持できることを再現できた。
Sitompul, Y.; 杉原 健太; 渡辺 勢也*; 井戸村 泰宏
no journal, ,
高速炉の設計では、自由表面渦によるガス巻き込みを防止することが不可欠である。この現象を解析する従来のナビエ・ストークス法は計算コストが大きいため、格子ボルツマン法(LBM)のような代替アプローチを調べた。本研究では、二相流LBMを適用してガス巻込み解析の効率を向上させた。その結果、従来の手法と比較して優れた計算性能を示しながら、参照計算データと良い一致を示した。
下畑 和希*; 青木 尊之*; Sitompul, Y.; 渡辺 勢也*
no journal, ,
近年、集中豪雨などの異常気象により土砂災害の発生件数は増加傾向である。中でも、土石が河川の水と混合して斜面を流れる土石流は、構造物に甚大な損傷を与える可能性があり、岩石などの浮遊物を伴うと被害は増加する。土石流の被害を抑える手段として、通常時には土砂を下流に流し続け、土石流発生時に障害物をせき止める役割を持つ透過型砂防堰堤が注目されている。格子ボルツマン法(LBM)は、自由表面流れをシミュレーションするのに適しており、数値流体力学における重要な代替手法となっている。LBMはアルゴリズムが単純であるため、大規模な並列計算に適していること、複雑な形状の実装が容易であることなどが利点として挙げられる。また、高レイノルズ数の自由表面流れを処理するためにキュムラントLBMが利用される。直行格子で計算する場合、計算領域全体を必要な解像度の格子で分割するが、実際の流体現象において領域全体に高解像が要求されることは少ない。より大規模な計算を実現するためには、計算コストとメモリ使用量を削減する必要がある。したがって、高い計算精度が必要な領域に高解像度の格子を割り当て、その他の領域には低解像度の格子を割り当てるAMR法をLBMに適用する。本研究では、非ニュートン性流体の特性を持つ泥流と透過型砂防堰堤のシミュレーションを行い、透過型砂防堰堤の透過有効性を検証した。
Sitompul, Y.; 杉原 健太; 渡辺 勢也*; 井戸村 泰宏
no journal, ,
自由表面渦によるガス巻込みは、安全性と効率に影響を及ぼす可能性があるため、高速炉設計における重要な課題である。この問題に対処するためには数値シミュレーションが不可欠であるが、従来の手法では必要な効率と精度が得られないことが多い。このような限界に対処するため、本研究では、計算効率と複雑な流れの解析精度に優れた格子ボルツマン法(LBM)を検討する。われわれは、計算時間を大幅に短縮しながらシミュレーション精度を向上させるために、局所細分化格子(LMR)法を適用した二相LBMを開発し、検証した。その結果は実験データとよく一致し、この手法が将来の高速炉設計において効率的で信頼性の高いガス巻込み解析を可能にする可能性を示している。
下畑 和希*; 青木 尊之*; Sitompul, Y.; 渡辺 勢也*; Dawei, S.*
no journal, ,
土石流は、岩石のような浮遊物を伴う場合、人命や財産の安全を脅かし、被害を拡大させる。本研究では、数値流体力学(CFD)に基づく岩石の運動と力学特性のシミュレーションを実施した。流体相のシミュレーションにはキュムラント格子ボルツマン法(LBM)を、固相のシミュレーションには離散要素法(DEM)を用いた。液相には非ニュートン流体を適用した。界面捕捉法では、質量保存を維持するために保存型Allen-Cahn方程式を採用した。計算効率を向上させるために、CUDAプログラミングと適合格子細分化(AMR)法を適用した。
Sitompul, Y.; 青木 尊之*; 渡辺 勢也*; 杉原 健太; 高木 知弘*
no journal, ,
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。
下畑 和希*; 青木 尊之*; Sitompul, Y.; 渡辺 勢也*
no journal, ,
土石流は人命にかかわる甚大な災害の一つであり,大きな岩石が含まれる場合には被害が増大する。本研究では、岩石運動と連成した岩屑自由表面流れのシミュレーションを実施した。流体力学にはキュムラント格子ボルツマン法を用い、岩石間および岩石と堤防間の衝突の表現には離散要素法を用いる。岩屑流には非ニュートンのビンガムモデルを適用した。1,000個の岩石を含む岩屑流が斜面上で加速され、ほとんどの大きな岩石は堤防に捕捉される。
