デ・ラ・フエンテ・ロドリゲス・フアン・マヌエル

形状を持つ物体の水中落下の粒子-流体連成シミュレーション

福元豊　大塚悟

この研究課題の主な目的は、流木などのさまざまな自然災害を再現するために、粒子の水中落下のシミュレーションを理解するということである。このために、DEM-LBMシミュレーションが使用され、さまざまな粒子形状（四角形、円形、L型の形）が使用される。DEMとLBMを連成させる場合、移動する固体と液体の境界面を取り扱うとともに流体と固体の相互作用力を算出する方法が必要となる。PSモデルと呼ばれる。固体内部の各格子点が占める固体領域の体積分率を求め、その値をLBMの基本式に含めて解く方法を採用した。この方法は各格子点で必要な演算は局所性を保ったままにすることができる利点がある。したがって、提案された物体を再現するために、四角形、円形、L型の形が似ているアクリルの物体を使用するのは必要である。シミュレーションと実験の最大の違いは、シミュレーションが二次元で行われる反面、実験は三次元で行われることである。したがって、物体の落下で3D影響を避けるために、四角形、円形、L型の形の幅よりわずかに大きいアクリル箱を使用すると決めた。このシミュレーション方法は非常に便利である反面、コストが高い、物体を再現するのは複雑である。このため、各形の粒子が1っ子だけ使用され、複数の物体での計算は可能ですけど、物体の動きが簡単に分かるために、1っ子しか使用しない。これで、シミュレートする時間とコストが削減されることができる。アクリルの箱、水、流速カメラを実験で使用している。形の位置を取得する方法では適切な分析のために、参照ポイントが必要であった。シミュレーションでは、実験に異なる結果が得られた。この違いは、使用された離散時間 (discrete time)とspace gridのデータに次第である。これらのデータは、水のviscosity（1x10-6）に基づいて計算されている。Discrete timeとspace gridの関係（δx/δt> 10）も守るのは必要である。そこで、シミュレーションの計算時間を短縮するために、space gridの拡大を提案された。得られた結果に基づいて、二次元シミュレーションでは、通常、最も複雑な動きが表示されないか、異なる動きが観察されることが理解する。これは、L型の形の場合である。円形の形状は、落下後の跳ね返りを観察していないことから、space gridが小さくなるのは必要である。四角形のほうは、実験とシミュレーションを比べるっとspace gridを大きくなるとしても、大きな変化を表すものではなく、3次元の影響も受けていない。