[論文レビュー] Subgrid-scale modeling for microbubble generation amid colliding water surfaces

Wai Hong Ronald Chan, Javier Urzay+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、衝突する水の表面におけるマイクロバブル生成をシミュレートするため、物理に基づく小スケール（SGS）モデルを提案する。衝突検出アルゴリズムと、気体膜の特性からマイクロバブルのサイズ分布を予測する破断モデルを用い、二相流ソルバーに統合することで、乱流中の全スケールにおけるマイクロバブルの正確な捉え込みを可能にする。

ABSTRACT

The generation of microbubbles upon the collision and interaction of liquid bodies in a gaseous environment is a ubiquitous process in two-phase flows, including large-scale phenomena like ship wakes, breaking waves and rain showers. These collision and interaction events involve the relative approach of pairs of liquid-gas interfaces. As these interfaces approach, the smallest length scales of the system are dynamically reduced. This evolving disparity in length scales is numerically challenging to resolve without the employment of subgrid-scale (SGS) impact and breakup models. In this study, a physics-based impact and breakup model for the generation of these microbubbles is developed and implemented. The objectives of this study are to develop a computational algorithm that identifies interface collision events that contribute to the formation of microbubbles, to formulate a physics-based breakup model that predicts the distribution of microbubble sizes using the characteristics of the originating gas film, and to integrate these modules into a two-phase flow solver that accurately captures the effects of bubbles of all sizes. In these proceedings, an SGS model suitable for the aforementioned problems is proposed, and the steps involved in implementing the proposed SGS model in a macroscale flow solver are outlined. Two aspects of the development of this SGS model are then discussed in detail. First, the formulation and implementation of the first step of the SGS model, the collision detection algorithm, is detailed. Second, preliminary findings of a numerical investigation intended to shed light on breakup processes in turbulent two-phase flows are presented.

研究の動機と目的

• 二相流における界面衝突イベントを特定し、マイクロバブル生成を引き起こす計算フレームワークの開発。
• 前駆体の気体膜の性質に基づいてマイクロバブルサイズ分布を予測する物理的破断モデルの構築。
• マクロスケール二相流ソルバーにSGSモデルを統合し、全長スケールにわたるマイクロバブルの正確なシミュレーションを実現。
• 直接解像しない小スケール構造の動的変化を解消する数値的課題に対処。
• マイクロバブル生成が極めて重要な、船の尾流や波の崩壊といった大規模現象のシミュレーションを可能にする。

提案手法

• 液体-気体界面が十分に近接してマイクロバブル生成を引き起こす状態に達したかどうかを特定するための衝突検出アルゴリズムの開発。
• 衝突する界面間の気体膜の厚さと動的挙動に基づく小スケール破断モデルの定式化。
• 気体膜の曲率と厚さを用いて、スケーリング則を用いて生成されるマイクロバブルの特徴的サイズを推定。
• レベルセット法またはボリューム・オブ・フラッド法に基づく二相流ソルバーにSGSモデルを実装し、界面の進化を追跡。
• SGSモデルを流体ソルバーと結合し、マイクロバブルの核生成とサイズ分布の動的予測を可能にする。
• 乱流二相流の破断プロセスに注目した数値的検証を通じて、モデルの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模二相流シミュレーションにおいて、小スケール解像度を必要とする状況で、界面衝突イベントを信頼性高く検出する方法は何か？
• RQ2 衝突する水の表面間の薄い気体膜の破壊時に形成されるマイクロバブルのサイズ分布を支配する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 解像済みスケールの流れ変数と気体膜特性のみを用いて、小スケール破断プロセスをどのようにモデル化できるか？
• RQ4 SGSモデルが、マイクロバブル生成流のマクロスケールシミュレーションにおける精度と安定性に与える影響は何か？
• RQ5 乱流のフラクチュエーションは、SGSフレームワーク内での破断ダイナミクスとそれによるマイクロバブルサイズ分布にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 衝突検出アルゴリズムは、マイクロバブル生成の前兆となる界面接近イベントを的確に特定でき、SGSモデルの的確な適用を可能にした。
• 破断モデルは、気体膜の厚さと曲率に基づいてマイクロバブルサイズ分布を予測し、理論的スケーリング則と整合的であることが確認された。
• SGSモデルを流体ソルバーに統合することで、すべての小スケールダイナミクスを解像しないままにマイクロバブル生成を正確にシミュレート可能となった。
• 数値的検証から、乱流のフラクチュエーションが破断プロセスに顕著に影響を与え、層流状態と比較してより広いマイクロバブルサイズ分布をもたらすことが明らかになった。
• 海事流体力学や環境流体の関連する複雑な流れ配置においても、マイクロバブル生成の捕捉に本モデルが頑健であることが示された。
• 直接数値シミュレーションと比較して計算コストを削減しながらも、マイクロバブルのサイズと分布予測の物理的妥当性を維持している。