固気二相流

The fluidization technology for gas-solid systems was overviewed. The stress was put on behavior of gas bubbles, properties of emulsion phase, description of powder groups, axial mixing of solids, and modeling of fluidized-bed contactors. The fluidization of ultrafine particles was also mentioned.

Fundamental equations are given for gas-solid flows when the effect of compression of the gas is significant. Problems of unsteady propagation of shock waves in the two-phase system are solved numerically. The relaxation nature of the flow induced by the shock wave is investigated. The influence of nonuniformity of particle size on the shock propagation is also discussed.

Many aerosol phenomena such as deposition of aerosol particles on a wall surface and their collection by an obstracle in a stream are related to the instability of aero-colloidal system comparing to hydro-colloidal system.In this article, general features of aerosol phenomena are overviewed for several typical cases and then their theoretical simulation methods are explained.

The phenomena occurring at a nanoscopic scale on the very surface of solid substrates are discussed, as one particular aspect of multiphase flow studies. The STM (scanning tunneling microscopy) observation as well as the newly developed total reflection X-ray diffractometry experiments revealed the nanoscopic behavior of organic molecules from vapor to solid phases (crystallization process), whichd epends greatly on the nature of the substrates, namely on the interaction between the molecules and the substrate atoms. It is suggested that such interactions, including the electrostatic intermolecular interaction, play an essential role in the aggregation process of molecules above solid surfaces, as indeed simulated by a computer calculation. Moreover, the possible correlation of these nanoscopic mechanisms to the macroscopic multiphase flow behavior is discussed.

本解説では、微小固体粒子や液滴を含む高速気流、すなわち微粒子を含む気体中を伝播する衝撃波や、微粒子を含む超音速気流の性質、特徴の説明に用いられる用語の解説を行う。今回は、微粒子を含む高速気流の解析において重要な音速に関連した用語について述べる。

もう既に聞き飽きた感もあるが、計算機環境の発達によりさまざまな現象が数値シミュレーションにより取り扱われるようになった。混相流のような複雑な流れに対しても、流動を数値シミュレーションにより再現する試みが果敢になされている。最近では、ワークステーションの大幅な能力向上に代表される計算機のダウンサイジングにより、このような数値シミュレーションがより身近なものとなりつつあるのではないだろうか。混相流は時間的および空間的にさまざまなスケールの現象を含んでいるが、計算機の演算能力と記憶容量の増大は、よりミクロな視点に基づくモデルに立脚した数値シミュレーションを可能にする。固気二相流の分野では現在、固体粒子群の運動を個々の粒子レベルでモデル化するラグランジュ型の数値計算が盛んに行われている。この場合に気体の流れの計算には一般的な流体の数値解法が適用できるので、混相流としての特殊性は気流中の粒子群の運動をいかに解くかということと、気流に対する粒子の作用にある。本講座は数回にわたって連載を行うシリーズの中の第1回目であり、本シリーズでは固気二相流をラグランジュ型の数値シミュレーションで取り扱う際に問題となる粒子間衝突の有力な計算法として期待されるDSMC (Direct Simulation Monte-Carlo) 法と、その固気二相流への応用について述べる。DSMC法は希薄気体の流れの数値シミュレーション法としてBird [1] によって1976年に発表されたものであり、現在盛んに応用が行われている。DSMC法では、分子間の衝突判定に確率論的方法を用いることにより、実在する分子数に比べて少数の分子を追跡して、分子群の運動が求められる。この方法を粒子運動の計算に用いれば計算で扱う粒子数を軽減する他に衝突の判断も簡略化できるので、分散系粒子流動の数値シミュレーションを高濃度あるいは規模の大きな流れに拡張するために有望な方法である。さらに、DSMC法の考え方は固気二相流中の粒子運動のみならず、分散系混相流中の分散相の衝突的相互作用を考える場合にも参考になるものと考えられる。まず本報では、どのような場合に粒子間衝突の影響が問題となるかを示し、具体的な計算結果によって粒子間衝突の影響を紹介する。その後、DSMC法を理解するために必要な分子気体力学の基礎概念の解説を行う。

固気二相流中を運動する粒子が粒子間衝突の影響を受けるような流れをラグランジュ型の数値シミュレーションで取り扱おうとする場合に、希薄気体の流れの計算に用いられるDSMC法 [1] は粒子間衝突の有力な計算法として期待できる。本講座はそのような立場からDSMC法の基礎とその固気二相流への応用について述べるものである。前回 [2] はその1回目として、固気二相流中での粒子間衝突の影響と、DSMC法を理解するために必要な分子気体力学の基礎概念について述べた。今回はそれに引き続いて、DSMC法で用いられるモンテカルロ法の手法とDSMC法について解説を行う。

固気二相流中を運動する粒子が粒子間衝突の影響を受けるような流れをラグランジュ型の数値シミュレーションで取り扱おうとする場合に、希薄気体の流れの計算に用いられるDSMC法は粒子間衝突の有力な計算法として期待できる。本講座はそのような立場からDSMC法の基礎とその固気二相流への応用について述べるものである。前回までに、固気二相流中での粒子間衝突の影響と、DSMC法を理解するために必要な分子気体力学の基礎概念、およびDSMC法で用いられるモソテカルロ法の手法とDSMC法について述べた。今回は粒子間衝突の際の確率法則およびそれにもとつく衝突姿勢の与え方、粒子間衝突のモデル、境界条件の考え方について解説を行い、最後に固気二相流への適用例を紹介する。

今回は、超音速混相流を発生させる際に利用されるラバールノズル、超音速流と密接に関連している衝撃波、および混相流中の衝撃波背後の流れや超音速ノズル内の混相流中にしばしば現れる緩和現象に関連する用語について述べよう。

The development of numerical simulation models and methods in gas-solid two-phase flows by the author' s group in the last three decades is briefly reviewed. Eulerian-Lagrangian coupling simulations have been largely developed, especially DEM-CFD coupling simulation has become popular, and widely used in many operations of powder technology field. The establishment of the Japan society for multiphase flow played a very important role in the development of DEM-CFD coupling model.