第 23 回数値流体力学シンポジウム講演番号 D3-3 粒子法の産業機器への適用 Application of the Moving Particle Method to the industrial machinery ○ 市東素明, IHI, 横浜市磯子区新中原町 1, E-mail:[email protected] 倉田隼次, IHI, 横浜市磯子区新中原町 1, E-mail: [email protected] Motoaki Shito, IHI, 1 Shin-Nakahara-cho, Isogo-ku, Yokohama Junji Kurata, IHI, 1 Shin-Nakahara-cho, Isogo-ku, Yokohama In the case that industrial machinery with moving objects has the shapes and movement to be complicated, conventional CFD methods are not easily available to handle the moving or deforming mesh system. The MPS method (Moving-Particle Semi-implicit method or Moving-Particle Simulation), a kind of meshless method, has no difficulty in the problems. Basic test cases such as flow around a cylinder were carried out to make clear the points to apply the MPS method to industrial machinery with moving objects. １．緒言可動部を持つ産業機器に一般的な CFD 手法を適用する場合、移動変形する格子系を必要とするため、形状や運動が複雑になるにつれその取り扱いが困難になる．一方、メッシュレス法の一種である粒子法は格子を必要としないため移動境界問題を扱い易いとされる．本稿では、粒子法として MPS 法（Moving Particle Semi-implicit Method）(1)を用い、可動部を有する産業用機械への適用性を確認するため、基本的なベンチマークテストを行った． Fig .2 Cavity pattern behind cylinder ２．数値解析手法および検証産業機械における可動部は一般的にはブラフボディであるため、基本ベンチマーク問題として 2 次元円柱周りの流れを選択した．数値解析には標準的な MPS 法を用いた．解析領域は円柱の直径を D として、流れ方向は上流 5D、下流 10D、流れ垂直方向は 8D とした．境界条件は、両側面は固体粒子壁、流入は粒子速度規定、流出は自由表面（圧力境界）とした．円柱表面は曲面に沿うように等間隔に粒子を配置した（60 点）．レイノルズ数 Re は 1.0×105、無次元間刻み⊿τは最大 2.5×10-3、無次元解析時間 τ=10 とした．初期粒子配置は円柱表面を除き、解析領域内に対し等間隔に正方格子状に配置した．解析は入口圧力の数値振動が激しい場合には、円柱表面圧力の平滑化が困難なため、数値振動が小さい無次元時間の範囲で円柱表面圧力の平均化処理を行った．円柱表面の圧力係数 Cp の実験(2) との比較を Fig..1 に示す．円柱背面で実験と解析に大きな乖離が見られる．これは MPS 法では物体後流の負圧部分がキャビティ状態となることに起因している．３．産業機器への適用次に閉空間内の移動体に対するベンチマークテストを実施した。閉空間と移動体の概要を Fig..3 に示す．幅 W×高さ H×奥行き D ＝0.25m×0.5m×5m の閉空間を、 W×H×D＝0.15m×0.2m×0.2m の移動体が 2m/s で走行する． MPS 法と CFD で床近傍の粒子を追跡し比較した結果を Fig.3 に示す．CFD と比較して、MPS 法では過大な巻き上がりが生じていることが分かる．これは円柱周りの流れでも見られたように物体後流にキャビティが生じるため、閉空間内のキャビティ外の部分が大きな擾乱を受けるためだと考えられる． 1.0 experiment 0.5 MPS Fig .3 Particle distribution 0.0 Cp θ ４．結言粒子法として MPS 法を用い、閉空間内での移動体の解析を実施し床面近傍の粒子挙動を従来の CFD と比較した．この結果、MPS 法は CFD に比して巻き上がりを過大に評価するが、これは物体後流に生じるキャビティによるものと考えられる．参考文献 (1)Koshizuka, S. and Oka, Y., Moving-Particle Semi-implicit Method for Fragmentation of Incompressible Fluid, Nucl. Sci. Eng., 123, 421-434 (1996). (2)Zdravkovich, M. M., “Flow around circular cylinders vol1: fundamentals”, Oxford University Press (1997), p167, 171. -0.5 -1.0 -1.5 0 90 180 position θ [deg] Fig .1 Cp distribution on cylinder surface 初期状態とτ=5 での粒子のスナップショットを Fig2 に示す．初期に充満していた粒子が、時間の進行に伴い物体後流がキャビティ（空乏）状態になっていくことが分かる．MPS 法では粒子が疎な領域では粒子数密度 n を一様化する機構が働かないためと考えられる． 1 Copyright © 2009 by JSFM