[論文レビュー] Spray formation: a numerical closeup

Yue Ling, Daniel Fuster+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2015

Fluid Dynamics and Heat Transfer被引用数 40

ひとこと要約

本研究は、一次原子化における全スケールを解像するために最大40億個の計算セルを用いて、気相-液相混合層におけるスプレー形成の大型3次元直接数値シミュレーション（DNS）を実施した。結果から、細かいメッシュ解像度が正確な液だん粒径分布を求めるために不可欠であることが明らかになった。Log-Normal分布とGamma分布がデータに適合するが、シミュレーションにおける十分なスケール範囲を考慮すると、Log-Normal分布がより良好な適合を示した。

ABSTRACT

Spray formation and atomization in a gas-liquid mixing layer is an important fundamental problem of multiphase flows. It is highly desirable to visualize the detailed atomization process and to analyze the instabilities and mechanisms involved, and massive numerical simulations are required, in addition to experiment. Rapid development of numerical methods and computer technology in the past decades now allows large-scale three-dimensional direct numerical simulations of atomization to be performed. Nevertheless, the fundamental question, whether all the physical scales involved in the primary breakup process are faithfully resolved, remains unclear. In the present study, we conduct direct numerical simulations of spray formation in a gas-liquid mixing layer with state-of-the-art computational resources (using up to 4 billion cells and 16384 cores), in order to obtain a high-fidelity numerical closeup of the detailed mechanisms of spray formation. We also aim to examine whether present computational resources are sufficient for a fully resolved direct numerical simulation of atomization.

研究の動機と目的

• 現在の計算リソースが気相-液相混合層における一次原子化の全物理スケールを完全に解像可能かどうかを調査すること。
• メッシュ解像度が液だん粒径分布および破壊ダイナミクスの精度に与える影響を検討すること。
• 高解像度シミュレーションを用いて、薄い液膜におけるリムブリッジ、液だん、穴の形成メカニズムを分析すること。
• 古典的液だん粒径分布モデル（Log-NormalおよびGamma）が、解像された原子化プロセスの文脈で妥当かどうかを評価すること。
• 粗いメッシュが界面波の発展およびせん断層の曲率を十分に解像できないために、誤った小粒径液だんが生成され、不適切な粒径統計が得られるかどうかを検証すること。

提案手法

• 最大16,384コアと40億個の計算セルを用いて、準平面的気相-液相混合層の直接数値シミュレーション（DNS）を実施した。
• 液-気界面を追跡し、薄い液膜およびリムブリッジを解像するために、適応メッシュリファインメントを用いたボリューム・オブ・フラッド（VOF）法を採用した。
• 平面ジェットを生成するために固体の仕切り板を設け、高解像度シミュレーションを可能にするために物理的スケールを縮小（H = 0.8 mm）した。
• メッシュ解像度を4段階（M0～M3）に変化させ、収束性および解像度が液だん粒径統計に与える影響を評価した。
• 急激な界面変形および破壊イベントの間でも数値的安定性を維持するために、動的適応時間ステップ法を用いた。
• 下流のサンプリングボックスからの液だん粒径データに対して、統計解析および確率分布フィッティング（Log-NormalおよびGamma）を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の計算リソースは、気相-液相混合層における一次原子化の完全な解像化を達成可能か？
• RQ2 メッシュ解像度はリムブリッジ、液だん、およびそれらに起因する液だん粒径分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 液だん形成の主なメカニズムは何か—端縁部のフィンガー形成か、薄い膜における穴の拡大か—それらはどのように解像されているか？
• RQ4 古典的液だん粒径分布モデル（Log-NormalおよびGamma）は、シミュレートされたデータをどの程度正確に記述できるか？
• RQ5 解像度が不足すると、人工的な破壊が生じ、誤った小粒径液だんが生成され、誤った粒径統計が得られるのか？

主な発見

• 約40億セルを有する最細メッシュ（M3）は、全物理スケールを解像しており、波の発展および膜形成がリムブリッジおよび液だん生成に重要であることが示された。
• 粗いメッシュ（M0～M2）では、波の山の曲率およびせん断層構造が正しく解像されず、誤った早期破壊と人工的な小粒径液だんの生成が生じた。
• リムブリッジは2つのメカニズムで形成される：ターラー＝クリック端縁部におけるフィンガリングと、薄い液膜における穴の拡大であり、穴の進化はターラー＝クリック理論と一致した。
• 確率密度関数（PDF）へのフィッティングにおいて、Log-Normal分布がGamma分布よりも優れた適合を示した。これは、スケーリング仮説に適した十分な動的範囲を有するスケール範囲があることを示唆した。
• M3のPDFに見られる統計的オシレートionは、短いサンプリング時間に起因するものであり、二峰性プロセスとは無関係である。粒径分布に明確な「縁縁液だん」や「膜液だん」の特徴は観察されなかった。
• 液だんの凝集はほとんど観察されず、この系では凝集体の影響が最終的な液だん粒径分布にほとんど与えないことが示唆された。