第 23 回数値流体力学シンポジウム A7-1 界面適合格子と埋め込み境界法を用いた気泡と固体壁の衝突に関する数値解析 Numerical Analysis of Bubble-Wall Collision Adopting Interface-Tracking Grid System and Immersed Boundary Method 加山広之，阪大院，大阪府吹田市山田丘 2-1，E-mail：[email protected] 大森健史，阪大工，大阪府吹田市山田丘 2-1，E-mail：[email protected] 梶島岳夫，阪大工，大阪府吹田市山田丘 2-1，E-mail：[email protected] Hiroyuki KAYAMA, Osaka University, Yamadaoka 2-1, Suita, Osaka, 565-0871, Japan Takeshi OMORI, Osaka University, Yamadaoka 2-1, Suita, Osaka, 565-0871, Japan Takeo KAJISHIMA, Osaka University, Yamadaoka 2-1, Suita, Osaka, 565-0871, Japan Using an Interface-Tracking Method coupled with an Immersed Boundary Method (IBM), a bubble-wall collision problem under the eﬀect of gravity is resolved. The gas-liquid interface is captured by the Interface-Tracking Method, and the whole ﬂuid ﬁeld is described by the body (the interface) ﬁtted coordinate system. Implementation of the wall in the ﬂuid is based on the IBM. This coupled method enables us to investigate the dynamics of the ﬂow between the bubble and the wall in detail. In the present study, the bubble-wall collision is analyzed, and a ﬂow in the liquid ﬁlm between the bubble and the wall is discussed. 1. 緒言本研究では分散性三相流の素過程として，単一気泡と剛体壁の衝突に関する数値計算を行い，固液，気液界面近傍における流れのダイナミクスを解明することを目的とする．流れ場に気泡表面に沿って張られた適合格子を用い，境界追跡法によって気液自由界面を捉える．また剛体壁は IB 法によって表現する．この手法は直交格子法の計算に比べて界面現象を精度よく解析できるという利点がある．境界追跡法と IB 法をカップリングした計算方法流体は非圧縮ニュートン流体，固体壁は剛体壁を仮定する．基礎方程式は積分型 Navie-Stokes 方程式と連続の式である．固体を IB 法で表現する．すなわち，流体-固体間での運動量交換に伴って流体にかかる強制力を固体体積率で重み付けし，基礎方程式に含ませ陰的に扱う．気液自由界面は運動学的条件と，力学的条件を満たすように境界追跡法を用いて気泡界面適合格子を移動させる． 0.003 vertical coordinate [m] 0.1 3. 単一気泡と剛体壁の衝突の計算結果液相を水，気相を空気として重力場における単一気泡と水平な静止剛体壁との衝突問題に適用したところ，壁面に対して衝突してから離脱するまでの流れ場の様子を捉えることができた．特に気泡が壁面に付着している際に形成される液膜と，そこに生じる流速や圧力分布を観察することができた．気泡重心の鉛直座標成分と速度の鉛直方向成分の時間変化を図??に示した．気泡が衝突と反発を繰り返しながら収束していく様子がわかる．特に気泡が壁面に付着している際に形成される液膜と，そこに生じる流速や圧力分布を観察することができた．図??は気泡が剛体壁に衝突したときの界面と速度ベクトルを表したものである．衝突時に液膜が形成されていることが確認できる． 0.002 0 0.001 Velocity of the vertical component [m/s] Fig. 1: velocity field at the bubble-wall collision 2. −0.1 0 0 0.1 time[s] Fig. 2: vertical coordinate and velocity of the bubble is converging が，固体界面は IB 法で表現するため明確ではない．以上の点から，液膜を模擬した流路で次に示すような 2 通りの計算領域を設定し，本研究の計算手法の精度を検証する．A:気液界面に沿って計算格子を設定し，固体壁を IB 法で表現する計算領域．気泡界面を模擬した境界には滑り条件を与える．B:気泡界面と固体壁の両方の境界に適合した格子を設定した計算領域．気泡界面には滑り条件，固体壁には滑り無し条件を与える．2 通りの計算領域を用いて液膜を模擬した流路の流速分布や，気泡界面と固体壁が流体から受ける応力を比較した． 4. IB 法の検証本研究の手法では単一気泡が剛体壁に付着する際に形成される液膜に十分な解像度が確保されていない．さらに気泡界面は境界適合格子により明確に捉えられている 1 c 2009 by JSFM Copyright