[論文レビュー] Implicit Large Eddy Simulation of Cavitation in Micro Channel Flows

Stefan Hickel, M. Mihatsch+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2014

Computational Fluid Dynamics and AerodynamicsEngineering参考文献 17被引用数 21

ひとこと要約

本研究は、段差付き微小チャネル構造を有する流れにおけるキャビテーションをモデル化するため、圧縮性二相流に対する暗黙的大渦乱流モデル（LES）フレームワークを提示する。バロトロピック状態方程式と平衡に基づく相変化モデルを用い、圧縮性波動のダイナミクスとせん断層乱流を解明する。この手法は、Ibenら（2010年）の実験データと照合された複雑なキャビテーション流れ構造を正確に捉え、圧縮性波動と乱流の両方を解像可能である。

ABSTRACT

We present a numerical method for Large Eddy Simulations (LES) of compressible two-phase flows. The method is validated for the flow in a micro channel with a step-like restriction. This setup is representative for typical cavitating multi-phase flows in fuel injectors and follows an experimental study of Iben et al., 2010. While a diesel-like test fuel was used in the experiment, we solve the compressible Navier-Stokes equations with a barotropic equation of state for water and vapor and a simple phase-change model based on equilibrium assumptions. Our LES resolve all wave dynamics in the compressible fluid and the turbulence production in shear layers.

研究の動機と目的

• 燃料インジェクタに関連する微小チャネル内のキャビテーション流れをシミュレートするための数値フレームワークの開発を目的とする。
• 乱流せん断層下における相変化を伴う圧縮性二相流のモデル化という課題に取り組む。
• ディーゼル燃料に類似した流体と水蒸気混合物を用いたIbenら（2010年）の実験データに基づくLES手法の妥当性を検証する。
• 暗黙的LESが閉じた幾何形状内における非定常キャビテーションダイナミクスおよび波動伝播を捉える能力を評価する。
• バロトロピック状態方程式と平衡に基づく相変化モデルが、キャビテーション流れの特徴を予測する上で果たす性能を評価する。

提案手法

• 有限体積法による離散化と暗黙的時間積分を用いて、圧縮性ナビエ＝ストークス方程式を解く。
• 水と蒸気相の熱力学的挙動をモデル化するため、バロトロピック状態方程式を採用する。
• 質量移動の輸送方程式を解かずに、液相と気相反応を模擬するため、平衡に基づく相変化モデルを適用する。
• 大規模な乱流構造と圧縮性波動ダイナミクスを直接解像するため、暗黙的大渦乱流法を採用する。
• キャビテーション流れにおける急峻な勾配および不連続性を高精度に解像するため、高次精度数値スキームを実装する。
• 段差付き微小チャネルを対象としたIbenら（2010年）の実験データと照合して、シミュレーション設定の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 暗黙的LESは、幾何的制限を受ける微小チャネル流れにおいて、非定常キャビテーションダイナミクスを正確に捉えることができるか？
• RQ2 バロトロピック状態方程式は、キャビテーション流れにおける水蒸気混合物の熱力学的挙動をどれほど正確に表現できるか？
• RQ3 平衡に基づく相変化モデルは、実験的なキャビテーションパターンをどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 圧縮性波動ダイナミクスと乱流せん断層不安定性は、キャビテーションを伴う微小流れにおいてどのように相互作用するか？
• RQ5 暗黙的LESフレームワークは、燃料インジェクタに類似した幾何形状内における複雑な二相流特徴を予測する能力を有しているか？

主な発見

• 暗黙的LESフレームワークは、強い相転移が存在する中でも、圧縮性波動ダイナミクスと非定常乱流を的確に解像した。
• シミュレーションは、微小チャネル内における気相キャビティの生成、成長、崩壊を、Ibenら（2010年）の実験で観察された主要な特徴と一致させた。
• バロトロピック状態方程式は、高圧勾配下における液体・蒸気混合物の挙動を安定的かつ正確に表現した。
• 平衡に基づく相変化モデルにより、明示的な質量移動モデルを用いずに、キャビテーションの始発と進化を現実的かつ妥当に予測できた。
• この手法は、キャビテーション流れに伴う渦の発生やショック波に類似した波動伝播といった複雑な流れ構造を再現した。
• 実験データとの良好な一致から、暗黙的LESアプローチがキャビテーションを伴う微小チャネル流れのシミュレーションにおいて、強固で予測可能な性能を有することが確認された。