JP2004054836A - Wall surface impact simulation method for solid-liquid mixed-phase fluid - Google Patents

Wall surface impact simulation method for solid-liquid mixed-phase fluid Download PDF

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潘 応康
Akira Goto
後藤 彰
Yoshiyuki Maruta
丸田 芳幸
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To properly simulate behavior of a solid-liquid mixed-phase fluid, and use it for service life prediction and design of a pump or the like. <P>SOLUTION: A flow velocity vector at each point of time at each point in a passage is calculated (S1). Solid particles are randomly arranged in a virtual sense in the passage (S3), and by solving the equation of motion regarding a rigid sphere model and the equation of motion regarding torque, the acceleration vector and the rotational angular velocity vector of each particle at each point of time is calculated, and the moving velocity vector of the particle is calculated (S4). Particles colliding with a wall surface or other particles up until a next point of time are determined (S5), and the impact vector with the wall surface is calculated by calculating the velocity vector and the rotational angular velocity after collision of the particle (S6). Position of the particle at the next point of time is determined (S9), and after repetitively executing the calculation a predetermined number of times, the magnitude of the impact vector, impact angle and impact frequency in each point of the passage wall surface are determined, and they are displayed along with an image of the wall surface (S10). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の技術分野】
本発明は、固液混相流体の壁面衝突状況シミュレーションに関し、より詳細には、コンピュータによって実行され、ポンプ等の内部における、固液混相流体中の粒子がポンプ羽根車等に衝突する状態をシミュレーションすることができる方法、及び、このような方法を実行するためのプログラムに関する。
【0002】
【従来の技術】
今日、河川からポンプで水を汲み上げて、工業用及び農業用等に使用したり、集中豪雨等によって生じる洪水を防止したりしている。また、下水、配管、及びタンク中にポンプを配置し、液体の吸排出に用いている。このような用途でポンプを用いた場合、ポンプが配置される流体は、例えば、河川、下水等において土砂等が混入しているように、細かい粒子が混入している流体すなわち「固液混相流体」であることが多い。そのため、一般に、固液混相流体中の粒子によりポンプの羽根車等が摩耗し、その寿命が比較的短い。
しかしながら、河川等における固液混相流体が該流体中で用いられるポンプに及ぼす影響を適切にシミュレーションすることができるシステムが提案されていなかったため、このような環境で使用されるポンプの寿命を適切に予測することが不可能であった。
【0003】
このような状況下では、実際に使用中のポンプに破壊等の障害が生じてしまったり、または、実際には比較的長い余命が残存しているにも拘わらず、安全性を見込んでポンプを早めに取り換えたりしている。ポンプに障害が生じると、工業及び農業等の産業活動に影響を及ぼしてしまうことは必須であり、また、河川の排水に使用している場合には、集中豪雨等において洪水が生じてしまう可能性があり、極めて危険である。一方、早めにポンプを取り換えることは、極めて不経済である。
さらに、ポンプ等の設計を行う際に、どの箇所を補強すれば、ポンプの寿命が延びるのか等についても、固液混相流体がポンプに及ぼす影響を適切に把握することが必要であるが、このような影響を適切にシミュレーションするツールが存在していない。
本発明は、このような従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、固液混相流体の流動を適切にシミュレーションする方法を提供し、もって、固液混相流体中で駆動されるポンプ等の寿命を適切に推定し、かつポンプ等の設計に役立たせることができるようにすることである。
本発明はまた、このようなシミュレーション方法を実行するためのプログラムも提供する。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る、コンピュータによって実行され、固液混相流体中の固体粒子の流路壁面への衝突状態をシミュレーションする方法においては、
微細な固体粒子の運動を、固体粒子と固体粒子との間、及び壁面と固体粒子との間で、剛球モデルを用いてラグランジアン的に、固体粒子の運動方程式、回転モーメントに関する運動方程式、及び固体粒子の自由運動時間に基づいて、固体粒子の挙動を追跡することにより、固体粒子の流路壁面への衝突角度、衝突速度、及び衝突頻度の少なくとも1つの分布をシミュレーションする
ことを特徴としている。
【0005】
本発明はまた、上記した目的を達成するために、コンピュータによって実行され、固液混相流体中の固体粒子の流路壁面への衝突状態をシミュレーションする方法において、
(a)固液混相流体の流体の運動をナビエストークスの式に基づいて解析することにより、流路壁面及び流路内の固体粒子の各位置及び複数の演算ステップの各時点(t:j=0,1,2,・・・・・)における流体の速度及び方向を表す流速ベクトル(Vf,i)を算出し、記憶するステップと、
(b)流路内の流体中に、所定の粒子濃度に応じて固体粒子をランダム配置して、初期時点(t)における各固体粒子の位置を設定するステップと、
(c)現在の時点(t)における流路中の各固体粒子に作用する抗力ベクトル(Fdrag,i)及び揚力ベクトル(Flift,i)を、固体粒子径(d)、流体密度、及び、固体粒子の位置に相当する流体の現在の時点(t)における流体の流速ベクトル(Vf,i)から演算し、遠心力ベクトル(Fcent,i)を固体粒子径(d)、粒子密度(ρ)、流路中に配置される回転体の回転速度、粒子速度、及び固体粒子の回転半径から演算し、コリオリ力ベクトル(Fcor,i)を固体粒子径(d)、粒子密度(ρ)、流路中に配置される回転体の回転速度、粒子速度、及び固体粒子の回転半径から演算するステップと、
(d)各固体粒子に作用するこれらの力ベクトルを剛球モデルの運動方程式に代入して、各固体粒子の現在の時点(t)における加速度ベクトル(dup,i/dt)を演算するステップと、
(e)回転モーメントに関する運動方程式から、各固体粒子の現在の時点(t)における回転角速度ベクトル(ωp,i)を演算するステップと、
(f)現在の時点(t)における各固体粒子の運動速度ベクトル(Vp,i)を、固体粒子の位置に相当する流体の現在の時点(t)における速度ベクトル(Vf,i)及び固体粒子の加速度ベクトル(dup,i/dt)から演算するステップと、
(g)各固体粒子の現在の時点(t)における運動速度ベクトル(Vp,i)及び回転角速度ベクトル(ωp,i)に基づき、現在の時点(t)から次の時点(tj+1)の間までに流路壁面及び他の固体粒子に衝突する固体粒子を決定するステップと、
(h)流路壁面に衝突する各固体粒子の衝突後の運動速度ベクトル(Vp,i(2))及び回転角速度ベクトル(ωp,i(2))を、該固体粒子の運動速度ベクトル(Vp,i)及び回転角速度ベクトル(ωp,i)を壁面衝突時の運動速度ベクトル(Vp,i(1))及び回転角速度ベクトル(ωp,i(1))として、衝突の方程式から演算するステップと、
(i)現在の時点(t)における流路壁面に衝突する各固体粒子の壁面衝突時の速度ベクトル(Vp,i(1))及び回転角速度ベクトル(ωp,i(1))に基づいて、各固体粒子の衝突速度ベクトル(Vcollision,i)を演算するステップと、
(j)次の時点(tj+1)における各固体粒子の位置と運動状態を決定するステップと、
(k)ステップ(c)〜(j)を反復実行することにより、全ての時点における各固体粒子の壁面衝突時の運動速度ベクトル(Vp,i(1))及び回転角速度ベクトル(ωp,i(1))を演算し、かつ、流路壁面に衝突する固体粒子を決定してその衝突速度ベクトル(Vcollision,i)を演算する、反復実行ステップと、
(l)演算された固体粒子の衝突速度ベクトル(Vcollision,i)の大きさを、流路壁面の位置に対応付けて表示するステップと
からなることを特徴とするシミュレーション方法を提供する。
【0006】
上記した本発明に係るシミュレーション方法はさらに、
(m)各時点(t)における、流路壁面に衝突する各固体粒子の壁面衝突時の衝突角度(α)を、各固体粒子の衝突前の運動速度ベクトル(Vp,i(1))に基づいて演算するステップと、
(n)得られた衝突角度(α)の大きさを、流路壁面の位置に対応付けて表示するステップと、
(o)全ての時点における、流路壁面に衝突する各固体粒子の壁面衝突頻度を、流路壁面の位置に対応付けて演算するステップと、
(p)得られた壁面衝突頻度の大きさを、流路壁面の位置に対応付けて表示するステップと
を含んでいることが好ましい。
【0007】
本発明はさらに、コンピュータによって実行され、固液混相流体中の固体粒子の流路壁面への衝突状態をシミュレーションするための方法を実行するためのプログラムであって、該方法が上記したシミュレーション方法であることを特徴とするプログラムを提供する。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明に係るシミュレーション方法は、コンピュータを用いて固液混相流体の流動解析を行うものであり、以下に、図1を参照して、その数学的解析について説明する。
なお、以下の説明においては、混入されている固体粒子の運動は、流体そのものの流動に影響を及ぼさないものと仮定し、PI−Cell(Particle−in−cell)方法を用いて解析する。また、流体の運動は、ハイドロ設計の標準ツールであるDawesコード又はその他の流体数値解析コードによりオイラー的にナビエストークスの式を解くことによって解析し、固体粒子の運動は、固体粒子に作用する力により、固体粒子と固体粒子との間、壁面と固体粒子との間で、剛球モデルを用いてラグランジアン的に粒子の挙動を追跡することによって解析する。
【0009】
固液混相流体における流動現象に影響を及ぼすものとして、以下のファクタを使用する。
(a)粒子(砂等)の壁面への衝突角度(α
(b)衝突時の速度(Vcollision)
(c)衝突頻度
(d)粒子径(d
(e)粒子表面の物性
(f)粒子表面の形状
(g)粒子表面の応力レベル
(h)粒子の形状と堅さ
(i)粒子密度(ρ)
(j)流体中の粒子濃度(C
(k)流体の性質と温度
(l)流路形状と境界条件
【0010】
これらのファクタの内、(d)〜(l)は、粒子及び流体の物理量に関連するファクタであって、オペレータにより入力される。本発明においては、これらファクタ(d)〜(l)を用い、以下に説明するステップによって、固液混相流体中の固体粒子の挙動を追跡することにより、固体粒子の流路壁面への衝突角度(ファクタ(a))、衝突時の速度(ファクタ(b))、及び衝突頻度(ファクタ(c))をシミュレーションにより求める。
【0011】
流体運動の解析
まず、ステップS1において、流路内(流路空間)の流体の運動を解析するために、流体の性質と温度(ファクタ(k))と、流路形状と境界条件(ファクタ(l))とを用いて、ナビエストークスの式を解く。これにより、流路内の各点の各時点t(j=0,1,2,・・・)における瞬時流速と流れの方向とを表す流速ベクトルVf,iが得られ、得られた流速ベクトルを計算ステップを表す時点t、t、t、・・・、t、tj+1、・・・に関連付けて記憶する。記憶された流速ベクトルVf,iは、以下に説明する固体粒子の運動方程式を解くときに、順次読み出されて使用される。
【0012】
なお、本明細書において、記号に付けられたサフィックスiは、該記号がxyz座標空間における大きさ及び方向のベクトルであることを示している。また、記号に付けられたサフィックスf及びpはそれぞれ、流体及び固体粒子に関する記号であることを示している。したがって、上記したVf,iは、x軸、y軸、及びz軸方向の流体の速度成分{Vx、Vy、Vz}によって表されるベクトルであることを示している(ベクトルVf,i={Vx、Vy、Vz})。
また、記号に付けられたサフィックス(1)は固体粒子の衝突前を表し、サフィックス(2)は衝突後を表している。
【0013】
固体粒子に関する運動方程式を解く
次に、ステップS2においてj=0に設定し、次いでステップS2において、流路内の流体中に、流体中の粒子濃度Cに応じて、剛球モデルである固体粒子をランダムに配置する。そして、ステップS3に移行し、固体粒子の運動方程式を解く。
図2は、以下の説明をより明瞭にするために、1つの固体粒子Pが流路壁面Wに衝突して反射する状態を説明する。図2において、また、Vp,i(1)及びVp,i(2)は固体粒子の衝突前及び衝突後の速度及びその方向を表す粒子の速度ベクトルであり、nは衝突面の法線ベクトルである。さらに、α(1)及びα(2)は固体粒子の流路壁面Wに対する衝突角及び反射角であり、ωp,i(1)及びωp,i(2)は固体粒子の衝突前及び衝突後の回転角速度ベクトル(回転角速度成分及び回転方向成分)である。
なお、本明細書において、「回転角速度」とは、座標系における粒子の回転角速度を意味し、一方、以降で説明する「相対回転角速度」とは、座標系における流体に対する粒子の相対的な回転角速度を意味する。
【0014】
ステップS4においては、流路内の固体粒子それぞれの座標に該当する部分の流体の時点tにおける流速及び方向すなわち流速ベクトルVf,iを、上記ステップS1において記憶されたデータから検索抽出する。
そして、個々の固体粒子に作用する以下の力を演算する。
・抗力ベクトルFdrag,iと揚力ベクトルFlift,iとを、粒子径d、流体密度(ファクタk)、及び、流速ベクトルVf,iから演算する。
・遠心力ベクトルFcent,iを、粒子径d、粒子密度ρ、ポンプ内部の羽根車等の回転体の回転速度、粒子速度、及び固体粒子の回転半径から演算する。
・コリオリ力ベクトルFcor,iを、粒子径d、粒子密度ρ、ポンプ内部の羽根車等の回転体の回転速度、粒子速度、及び固体粒子の回転半径から演算する。
【0015】
演算されたこれらの力を、以下に式(1)として示した剛体モデルの運動方程式に代入する。
【数1】
・dup,i/dt
=Fdrag,i+Flift,i+Fcent,i+Fcor,i+g    (1)
式(1)において、gは時点tにおける重力加速度、mは粒子径d及び粒子密度ρから演算した粒子質量、dup,i/dtは時点tにおける固体粒子の加速度ベクトルである。
そして、上記した運動方程式(1)を解くことによって、各固体粒子の時点tにおける加速度ベクトルdup,i/dtを得る。
【0016】
次に、周囲の流体に関する個々の固体粒子の相対回転角速度ベクトルωR,iから、以下に式(2)として示した回転モーメントに関する運動方程式を解いて、固体粒子の回転角速度ベクトルωp,iを演算する。なお、相対回転角速度ベクトルωR,iは、固体粒子の回転角速度ベクトルωp,iと流体の速度ベクトルの変化率dVf,i/dtから演算される。
【数2】
I・dωp,i/dt
=−C・ρ/2(d/2)・|ωR,i|・ωR,i    (2)
なお、式(2)において、Iは固体粒子の極慣性モーメント、Cは流体と固体粒子との間の相対回転角速度に関する実験係数、|ωR,i|は相対回転角速度ベクトルωR,iの絶対値すなわち回転角速度成分である。
【0017】
また、固体粒子の運動速度ベクトルVp,iを、流体の速度ベクトルVf,iを以下の式(3)に代入することより求める。
【数3】
p,i=Vf,i+Δτ・a            (3)
式(3)において、Δτは計算を進めるための時間間隔、すなわち、Δτ=tj+1−tである。aは1ステップ前の固体粒子の加速度ベクトルdupi/dtであり、したがって、式(1)に示すように、抗力ベクトルFdrag,i及び揚力ベクトルFlift,iと共に、遠心力ベクトルFcent,i及びコリオリ力ベクトルFcor,iの作用を含んでいる。
【0018】
固体粒子の衝突に伴う運動諸量の演算
次に、ステップS5において、上記ステップS4において式(1)及び式(3)により算出された個々の固体粒子の速度ベクトルVp,i及びその時点の固体粒子の位置に基づき、次の時点tj+1までの間に壁面及び他の固体粒子(すなわち、固体境界面)に衝突する固体粒子を決定する。この決定は、次の時点までに移動する固体粒子の位置が、隣り合う固体粒子の直径内になる場合、及び、粒子表面が壁面に接する場合に、該固体粒子が衝突すると決定する。
そして、ステップS6において、壁面又は他の固体粒子と衝突する固体粒子について、衝突後の速度ベクトルVp,i(2)と回転角速度ベクトルωp,i(2)を、以下に式(4)及び(5)として示した衝突の方程式に、衝突する固体粒子の衝突前の速度ベクトルVp,i(1)=Vp,iを代入することによって演算する。
【数4】
p,i(2)=Vp,i(1)+J/m              (4)
ωp,i(2)=ωp,i(1)+d/2・n×J/I        (5)
ただし、式(4)及び(5)において、Jは反発係数と衝突部の摩擦係数等の影響を受けた運動量ベクトルであって、粒子表面の物性(ファクタ(e))、粒子表面形状(ファクタ(f))、粒子表面応力レベル(ファクタ(g))、並びに、粒子形状及び堅さ(ファクタ(h))から定まる。また、上記したように、nは衝突面の法線ベクトル、Iは粒子径dから定まる粒子の極慣性モーメントである。「×」はベクトルの外積を示している。
【0019】
ステップS6においてさらに、以下の式(6)を用いて、壁面に衝突する各固体粒子の衝突速度ベクトルVcollision,iを演算する。
【数5】
collision,i
=Vp,i(1)−d/2・ωp,i(1)×n           (6)
式(6)において、ベクトルVp,i(1)は粒子の壁面衝突時の並進成分を表し、−d/2・ωp,i(1)×nは粒子の壁面衝突時の回転成分を表している。したがって、衝突速度ベクトルは、固体粒子の重心の速度と粒子表面の回転速度との和として表されている。
【0020】
次の時点での繰り返し計算
ステップS6が終了すると、ステップS7において、時間すなわち計算ステップjが予め設定した最大値jmax(例えば、jmax=5000回程度)に等しいか否かを判定し、かつステップS8においてj=j+1とする。そして、ステップS9において、時点tj+1(=t+Δτ)における各固体粒子の位置と運動状態とを演算する。なお、運動状態とは、固体粒子の速度ベクトル及び回転角速度ベクトルの状態を示すものである。このとき、壁面及び他の固体粒子に衝突する各固体粒子に関しては、式(4)及び(5)から演算されたVp,i(2)及びωp,i(2)、並びに、時点tにおける流体速度ベクトルVf,i及び固体粒子に作用する力に基づいて演算する。一方、衝突しない各固体粒子に関しては、式(2)によって演算された回転角速度ベクトルωp,iと式(3)によって得られた粒子の速度ベクトルVp,iとに基づいて演算する。
そして、ステップS4に戻り、得られた各固体粒子の位置及び運動状態と、時点tj+1における流体速度ベクトルVf,i(ステップS1において予め演算され格納されている)とを用いて、時点tj+1における個々の固体粒子の速度ベクトルVp,i及び回転角速度ベクトルωp,iを求め、そして、ステップS5において、Δτ中すなわち時点tj+2までに壁面Wに衝突する粒子を特定して、ステップS6において、その衝突後の速度ベクトルVp,i(2)と回転角速度ベクトルωp,i(2)を演算し、かつ衝突速度ベクトルVcollision,iを演算する。
【0021】
このようにして、所定の繰り返し回数jmaxだけ、ステップS4〜S8を反復実行し、全ての時点における固体粒子の壁面への衝突速度ベクトルVcollision,iを演算する。
なお、衝突速度ベクトルVcollision,iは、各時点(各演算ステップ)で必ずしも求める必要がなく、全ての時点でVp,i(1)及びωp,i(1)が得られた後に、まとめて演算してもよい。
【0022】
固体粒子の衝突状態の統計処理及び表示
ステップS7において、j=jmaxであると判定した場合、ステップS10に移行して、上記のようにして演算された各固体粒子の衝突速度ベクトルVcollision,iの大きさを求め、それを壁面の位置に対応付けする。
また、各固体粒子の壁面衝突時の衝突角度αを、ステップS6で求めたた衝突前の運動速度ベクトルVp,i(1)から演算し、壁面の位置に対応付ける。
さらに、流路壁面に衝突する各固体粒子の壁面衝突頻度を、壁面の各位置に固体粒子が衝突した回数として計数し、壁面の位置に対応付ける。
そして、これらデータを画像表示データに加工処理し、得られた画像を、壁面画像と共にモニタ画面に表示する。
【0023】
図3は、本発明に係るシミュレーション方法によって、側板付羽根車を有するポンプ内の流体中の粒子が、側板内側表面にどのように影響を及ぼすかを予測した結果を示している。図3において、(A)は固体粒子の衝突角度α、(B)は衝突頻度、(C)は衝突速度|Vcollision,i|を表しており、いずれも、シュラウド面側すなわち側板内側表面への衝突状態を示している。なお、図3においては等高線表示方式で大きさを示しており、したがって、囲まれた面積が狭いほど、その囲み線が示す値は大きい。このシミュレーションにおいては、以下の値のファクタを採用した。
粒子密度ρ:2670kg/m
粒子径d:25μm
流体中の粒子濃度C:32kg/m
計算対象の固体粒子の総数:20000
時間間隔Δτ:0.00005sec
繰り返し計算回数jmax:5000回
図3に示したシュラウド面側(側板内側表面)のシミュレーション例においては、衝突角度、衝突頻度、及び衝突速度は極めて近似する傾向を示している。
【0024】
本発明者は、上記した本発明によるシミュレーション方法の妥当性を検証するために、ポンプの羽根車の側板の内側表面にペイントを施し、そして、固液混相流体をポンプ中に流動させ、該側板内側表面のペイント残存状態を測定した。その結果、図4に示すような結果が得られた。図4において、黒い領域ほど、ペイントがより多く削り取られていることを表している。
図4の実験結果と、図3に示した本発明によるシミュレーションによる結果とを対比すると、ほぼ同様な結果が得られていることが分かる。したがって、本発明によるシミュレーション方法によって得られる画像が、粒子の羽根車の側板内側表面への実際の衝突状態を適切に表していることが分かる。
【0025】
本発明によるシミュレーション方法を実行する際に、オペレータは、実際の河川等の固液混相流体の状態を表すファクタ、並びに、該河川等に配置されるべきポンプの形状(流路形状及び境界条件)を、シミュレーション・システムに入力する。そして、該シミュレーション・システムを動作させることにより得られた、固液混相流体中の固体粒子のポンプへの衝突状態を表す画像を分析することにより、固液混相流体のポンプへの影響を推定することができる。これにより、例えば、ポンプの羽根車等のどの部分を補強すべきか等の情報を得ることができる。
一方、実際の河川等で使用中(又は使用前)のポンプの場合には、その余命(寿命)を推定することもできる。この寿命推定においては、砂摩耗モデルを用いて種々の条件で実験を行うことによって得られたデータベースから、ポンプの羽根車の材質と、固体粒子の衝突角度、衝突頻度、及び衝突速度の少なくとも1つの分析結果とに基づいて、ポンプの寿命(固液混相流体が影響する)を推定することができる。
【0026】
上記においては、ポンプ中の固液混相流体の固体粒子がポンプに及ぼす影響についてシミュレーションする例について説明したが、本発明のシミュレーション方法は、ポンプに限らず、例えば、河川堤防等に固液混相流体が及ぼす影響をシミュレーションするためにも適用可能である。
本発明に係るシミュレーション方法は、上記したように構成されているので、固液混相流体の固体粒子がポンプの羽根車等の壁面に及ぼす影響を適切にシミュレーションすることができる。よって、ポンプ等の設計及び寿命推定に極めて有効なシステムである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る固液混相流体の壁面衝突シミュレーション方法を説明するためのフローチャートである。
【図2】本発明に係るシミュレーション方法を説明するための、固体粒子の流路壁面への衝突状態を示す模式図である。
【図3】(A)〜(C)は、本発明に係るシミュレーション方法によって得られた、側板付ポンプ羽根車の流路壁面の1つである側板内側表面への固体粒子の衝突角度、衝突頻度、及び衝突速度を例示するモニタ画面の図である。
【図4】本発明に係るシミュレーション方法の妥当性を検証するために、実際に固液混相流体をポンプ中を流動させて、側板付ポンプ羽根車の側板内側表面に予め塗布したペンキの残存状態を測定した実験の結果を示す図である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a simulation of a wall-collision situation of a solid-liquid multiphase fluid, and more specifically, is executed by a computer to simulate a state in which particles in a solid-liquid multiphase fluid collide with a pump impeller or the like inside a pump or the like. And a program for performing such a method.
[0002]
[Prior art]
Today, water is pumped from rivers and used for industrial and agricultural purposes, and floods caused by torrential rains are prevented. In addition, pumps are disposed in sewage, piping, and tanks, and are used to suck and discharge liquid. When the pump is used in such an application, the fluid in which the pump is disposed is, for example, a fluid in which fine particles are mixed, such as a sediment in a river or sewage, that is, a `` solid-liquid multiphase fluid '' It is often. Therefore, in general, particles in the solid-liquid multiphase fluid wear the impeller of the pump and the like, and have a relatively short life.
However, since a system that can appropriately simulate the effect of a solid-liquid multiphase fluid in a river or the like on a pump used in the fluid has not been proposed, the life of a pump used in such an environment is appropriately adjusted. It was impossible to predict.
[0003]
Under such circumstances, the pump in use may be damaged or otherwise damaged, or the pump may be operated in consideration of safety, despite the fact that a relatively long life expectancy remains. They are being replaced early. If a pump failure occurs, it is indispensable to affect industrial activities such as industry and agriculture, and if it is used for drainage of rivers, flooding may occur due to concentrated torrential rain, etc. Is extremely dangerous. On the other hand, replacing the pump early is extremely uneconomical.
Furthermore, when designing a pump or the like, it is necessary to properly understand the effects of the solid-liquid multiphase fluid on the pump, such as which parts should be reinforced to extend the life of the pump. There is no tool that properly simulates such effects.
The present invention has been made in view of such problems of the related art, and an object of the present invention is to provide a method of appropriately simulating the flow of a solid-liquid multi-phase fluid, thereby driving the solid-liquid multi-phase fluid. The purpose of the present invention is to appropriately estimate the service life of a pump or the like to be used and to help the design of the pump or the like.
The present invention also provides a program for executing such a simulation method.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above-mentioned object, according to the present invention, a method executed by a computer to simulate a collision state of a solid particle in a solid-liquid multiphase fluid against a channel wall surface includes:
The motion of a fine solid particle is expressed by a Lagrangian equation using a hard sphere model between the solid particle and the solid particle, and between the wall and the solid particle. By tracking the behavior of the solid particles based on the free motion time of the particles, at least one distribution of the collision angle, the collision speed, and the collision frequency of the solid particles on the flow path wall surface is simulated.
[0005]
The present invention is also a computer-implemented method for achieving the above-described object, wherein the method simulates a collision state of solid particles in a solid-liquid multiphase fluid against a channel wall surface.
(A) By analyzing the motion of the solid-liquid multiphase fluid based on the Navier-Stokes equation, each position of the flow path wall surface and the solid particles in the flow path and each time point (t j : j) of a plurality of calculation steps = 0, 1, 2,...) To calculate and store a flow velocity vector (V f, i ) representing the velocity and direction of the fluid;
(B) randomly arranging solid particles according to a predetermined particle concentration in the fluid in the flow path, and setting the position of each solid particle at an initial time point (t 0 );
(C) The drag vector (F drag, i ) and the lift vector (F lift, i ) acting on each solid particle in the flow path at the current time point (t j ) are represented by the solid particle diameter (d p ) and the fluid density. , And the flow velocity vector (V f, i ) of the fluid at the current time point (t j ) of the fluid corresponding to the position of the solid particles, and the centrifugal force vector (F cent, i ) is calculated as the solid particle diameter (d p ), The particle density (ρ), the rotation speed of the rotating body disposed in the flow path, the particle speed, and the rotation radius of the solid particles, and calculate the Coriolis force vector (F cor, i ) as the solid particle diameter (d p ), A particle density (ρ), a rotation speed of a rotating body disposed in the flow path, a particle speed, and a step of calculating from a radius of rotation of the solid particles;
(D) Substituting these force vectors acting on each solid particle into the equation of motion of the hard sphere model to calculate an acceleration vector (dup , i / dt) at the current time point (t j ) of each solid particle. When,
(E) calculating a rotational angular velocity vector (ω p, i ) at a current time point (t j ) of each solid particle from an equation of motion regarding a rotational moment;
(F) motion velocity vector of each solid particle at the current time point (t j) (V p, i) the current point in time (t j) velocity in the vector of the fluid corresponding to the position of the solid particles (V f, i ) And the acceleration vector (dup , i / dt) of the solid particles;
(G) The next time point (t j ) from the current time point (t j ) based on the motion velocity vector (V p, i ) and the rotational angular velocity vector (ω p, i ) of each solid particle at the current time point (t j ). j + 1 ) determining the solid particles that collide with the channel walls and other solid particles by the time of
(H) The motion velocity vector (V p, i (2) ) and the rotational angular velocity vector (ω p, i (2) ) of each solid particle colliding with the wall of the flow path are calculated as the motion velocity vector of the solid particle. (V p, i ) and the rotational angular velocity vector (ω p, i ) are defined as a motion velocity vector (V p, i (1) ) and a rotational angular velocity vector (ω p, i (1) ) at the time of a wall collision. Calculating from an equation;
(I) The velocity vector (V p, i (1) ) and the rotational angular velocity vector (ω p, i (1) ) of each solid particle colliding with the channel wall surface at the current time point (t j ) at the time of wall collision are Calculating a collision velocity vector (V collision, i ) for each solid particle based on:
(J) determining the position and the motion state of each solid particle at the next time point (t j + 1 );
(K) By repeatedly performing steps (c) to (j), the motion velocity vector (V p, i (1) ) and the rotational angular velocity vector (ω p, i (1) ), and determining the solid particles that collide with the flow path wall surface and calculating the collision velocity vector (V collision, i );
(L) displaying the calculated magnitude of the collision velocity vector ( Vcollision, i ) of the solid particles in association with the position of the flow path wall surface.
[0006]
The above-described simulation method according to the present invention further includes:
(M) At each time point (t j ), the collision angle (α 1 ) of each solid particle colliding with the channel wall surface at the time of wall collision is determined by the motion velocity vector (V p, i (1 A) calculating based on:
(N) displaying the magnitude of the obtained collision angle (α 1 ) in association with the position of the channel wall surface;
(O) calculating a wall collision frequency of each solid particle colliding with the flow path wall surface at all time points in association with the position of the flow path wall surface;
(P) displaying the magnitude of the obtained wall collision frequency in association with the position of the channel wall surface.
[0007]
The present invention is further a program executed by a computer to execute a method for simulating a state of collision of solid particles in a solid-liquid multiphase fluid against a channel wall surface, wherein the method is the simulation method described above. Provide a program characterized by the following.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The simulation method according to the present invention performs a flow analysis of a solid-liquid multiphase fluid using a computer, and a mathematical analysis thereof will be described below with reference to FIG.
In the following description, it is assumed that the motion of the mixed solid particles does not affect the flow of the fluid itself, and the analysis is performed using a PI-Cell (Particle-in-cell) method. In addition, fluid motion is analyzed by solving the Navier-Stokes equation Euler-like with Dawes code or other fluid numerical analysis code, which is a standard tool of hydro design, and the motion of solid particles is the force acting on solid particles. By using the hard sphere model, the behavior of the particles is tracked between the solid particles and between the solid particles and between the wall and the solid particles in a Lagrangian manner.
[0009]
The following factors are used as factors affecting the flow phenomenon in a solid-liquid multiphase fluid.
(A) Angle of impact of particles (sand, etc.) on the wall surface (α 1 )
(B) Speed at collision (Vcollision)
(C) Collision frequency (d) Particle size (d p )
(E) Physical properties of particle surface (f) Shape of particle surface (g) Stress level of particle surface (h) Particle shape and hardness (i) Particle density (ρ)
(J) particle concentration in the fluid (C v)
(K) fluid properties and temperature (l) flow path shape and boundary conditions
Among these factors, (d) to (l) are factors relating to physical quantities of particles and fluids, and are input by an operator. In the present invention, by using the factors (d) to (l) and tracking the behavior of the solid particles in the solid-liquid multiphase fluid by the steps described below, the collision angle of the solid particles to the channel wall surface is determined. (Factor (a)), speed at the time of collision (factor (b)), and collision frequency (factor (c)) are obtained by simulation.
[0011]
Analysis of fluid motion First, in step S1, in order to analyze the motion of the fluid in the flow path (flow path space), the properties and temperature (factor (k)) of the fluid, the flow path shape and the boundary The Navier-Stokes equation is solved using the condition (factor (l)). As a result, a flow velocity vector Vf, i representing the instantaneous flow velocity and the flow direction at each point in time t j (j = 0, 1, 2,...) Of each point in the flow path is obtained. The flow velocity vector is stored in association with time points t 0 , t 1 , t 2 ,..., T j , t j + 1,. The stored flow velocity vectors V f, i are sequentially read out and used when solving the equation of motion of solid particles described below.
[0012]
In this specification, a suffix i attached to a symbol indicates that the symbol is a vector of a magnitude and a direction in an xyz coordinate space. Further, the suffixes f and p added to the symbols indicate that they are symbols relating to fluid and solid particles, respectively. Therefore, Vf, i described above is a vector represented by the velocity components {Vx, Vy, Vz} of the fluid in the x-axis, y-axis, and z-axis directions (vector Vf, i). = {Vx, Vy, Vz}).
The suffix (1) attached to the symbol indicates the state before the collision of the solid particles, and the suffix (2) indicates the state after the collision.
[0013]
<br/> solving the kinetic equation for the solid particles is then set to j = 0 in step S2, then in step S2, the fluid in the flow path, depending on particle concentration C v in the fluid, hard sphere model Are randomly arranged. Then, the process proceeds to step S3 to solve the equation of motion of the solid particles.
FIG. 2 illustrates a state in which one solid particle P collides with the channel wall surface W and is reflected to make the following description clearer. 2, also, V p, i (1) and V p, i (2) is the velocity vector of the particles representing the speed and direction after the collision before and collision of the solid particles, n i is the impact surface Normal vector. Further, α (1) and α (2) are the collision angle and the reflection angle of the solid particles with respect to the channel wall surface W, and ω p, i (1) and ω p, i (2) are before and after the solid particles collide. It is a rotational angular velocity vector (a rotational angular velocity component and a rotational direction component) after the collision.
In this specification, the “rotational angular velocity” means the rotational angular velocity of a particle in a coordinate system, while the “relative rotational angular velocity” described below refers to the relative rotation of a particle with respect to a fluid in a coordinate system. Means angular velocity.
[0014]
In step S4, the flow rate and direction, that is flow velocity vector V f at time t j of the fluid portion corresponding to each solid particle coordinates in the flow path, the i, searches extracted from the stored data in step S1.
Then, the following forces acting on the individual solid particles are calculated.
The drag vector F drag, i and the lift vector F lift, i are calculated from the particle diameter d p , the fluid density (factor k), and the flow velocity vector V f, i .
The centrifugal force vector F cent, i is calculated from the particle diameter d p , the particle density ρ, the rotation speed of a rotating body such as an impeller inside the pump, the particle speed, and the rotation radius of the solid particles.
The Coriolis force vector F cor, i is calculated from the particle diameter d p , the particle density ρ, the rotation speed of a rotating body such as an impeller inside the pump, the particle speed, and the rotation radius of the solid particles.
[0015]
These calculated forces are substituted into the equation of motion of the rigid body model shown as equation (1) below.
(Equation 1)
m p · du p, i / dt
= F drag, i + F lift , i + F cent, i + F cor, i + g i (1)
In the formula (1), g i is the gravitational acceleration at time t j, m p is the particle mass calculated from the particle size d p and the particle density ρ, du p, i / dt is the acceleration vector of the solid particles at time t j is there.
Then, by solving the above-described equation of motion (1), the acceleration vector du p at time t j for each solid particle to obtain a i / dt.
[0016]
Next, from the relative rotational angular velocity vectors ω R, i of the individual solid particles with respect to the surrounding fluid, the equation of motion relating to the rotational moment shown as the following equation (2) is solved to obtain the rotational angular velocity vectors ω p, i of the solid particles. Is calculated. The relative rotational angular velocity vector omega R, i is the rotational angular velocity vector omega p, i and change rate dV f of the velocity vector of the fluid of the solid particles is calculated from the i / dt.
(Equation 2)
I · dω p, i / dt
= −C r · ρ / 2 (d p / 2) 2 · | ω R, i | · ω R, i (2)
In equation (2), I is the polar moment of inertia of the solid particles, Cr is an experimental coefficient relating to the relative rotational angular velocity between the fluid and the solid particles, and | ωR , i | is the relative rotational angular velocity vector ωR , i. , That is, the rotation angular velocity component.
[0017]
Further, the motion velocity vector Vp, i of the solid particles is obtained by substituting the fluid velocity vector Vf, i into the following equation (3).
[Equation 3]
V p, i = V f, i + Δτ · a i (3)
In Expression (3), Δτ is a time interval for advancing the calculation, that is, Δτ = t j + 1 −t j . a i is the acceleration vector du pi / dt of the solid particle one step before, and therefore, as shown in equation (1), together with the drag vector F drag, i and the lift vector F lift, i , the centrifugal force vector F cent , I and the action of the Coriolis force vector F cor, i .
[0018]
Calculation of various momentums due to collision of solid particles Next, in step S5, the velocity vectors Vp, i of the individual solid particles calculated in step S4 by the equations (1) and (3). And the position of the solid particles at that point in time, determine the solid particles that collide with the wall and other solid particles (ie, the solid interface) until the next time point tj + 1 . This determination determines that the solid particles collide when the position of the solid particles moving up to the next point is within the diameter of an adjacent solid particle and when the particle surface contacts a wall surface.
Then, in step S6, for the solid particles colliding with the wall surface or other solid particles, the velocity vector V p, i (2) and the rotational angular velocity vector ω p, i (2) after the collision are expressed by the following equation (4). And (5) by substituting the velocity vector Vp, i (1) = Vp, i of the colliding solid particles before collision into the collision equation.
(Equation 4)
V p, i (2) = V p, i (1) + J / m p (4)
ω p, i (2) = ω p, i (1) + d p / 2 · n × J / I (5)
In Equations (4) and (5), J is a momentum vector affected by the coefficient of restitution and the friction coefficient of the collision portion, and the like, and the physical properties of the particle surface (factor (e)) and the particle surface shape (factor) (F)), the particle surface stress level (factor (g)), and the particle shape and hardness (factor (h)). Further, as described above, n represents a normal vector of the impact surface, I is a polar moment of inertia of the particles determined from the particle size d p. “×” indicates the cross product of the vectors.
[0019]
In step S6, the collision velocity vector V collision, i of each solid particle colliding with the wall surface is calculated using the following equation (6).
(Equation 5)
V collision, i
= V p, i (1) -d p / 2 · ω p, i (1) × n (6)
In the equation (6), the vector V p, i (1) represents a translation component at the time of collision of a particle with a wall, and −d p / 2 · ω p, i (1) × n is a rotation component at the time of collision of a particle with a wall. Is represented. Therefore, the collision velocity vector is expressed as the sum of the velocity of the center of gravity of the solid particle and the rotational velocity of the particle surface.
[0020]
Iterative calculation at next time When step S6 ends, in step S7, it is determined whether the time, that is, the calculation step j is equal to a preset maximum value j max (for example, j max = about 5000 times). It is determined, and j = j + 1 is set in step S8. Then, in step S9, the position and the motion state of each solid particle at the time point t j + 1 (= t j + Δτ) are calculated. The motion state indicates the state of the velocity vector and the rotational angular velocity vector of the solid particles. At this time, for each solid particle that collides with the wall surface and other solid particles, V p, i (2) and ω p, i (2) calculated from Expressions (4) and (5), and time t computed based on the force acting on the fluid velocity vector V f, i and the solid particles in the j. On the other hand, with respect to each solid particles do not collide, computed on the basis of the velocity vector V p of the rotational angular velocity vector omega p, i and equation (3) by the resulting particles calculated by the equation (2), on the i.
Then, returning to step S4, using the obtained position and motion state of each solid particle and the fluid velocity vector V f, i at time t j + 1 (calculated and stored in advance in step S1), time t The velocity vector Vp , i and the rotational angular velocity vector ωp , i of the individual solid particles at j + 1 are obtained, and in step S5, the particles that collide with the wall surface W during Δτ, that is, by the time tj + 2 , are specified. In S6, the velocity vector Vp, i (2) and the rotational angular velocity vector ωp , i (2) after the collision are calculated, and the collision velocity vector Vcollision, i is calculated.
[0021]
In this manner, steps S4 to S8 are repeatedly executed by the predetermined number of repetitions j max , and the collision velocity vector V collision, i on the wall surface of the solid particles at all time points is calculated.
Note that the collision velocity vector V collision, i does not necessarily need to be obtained at each time point (each operation step), and after V p, i (1) and ω p, i (1) have been obtained at all time points, The calculations may be performed collectively.
[0022]
Statistical processing and display of collision state of solid particles If it is determined in step S7 that j = jmax , the process proceeds to step S10, where the collision velocity of each solid particle calculated as described above is calculated. The magnitude of the vector Vcollision, i is determined, and is associated with the position of the wall.
Further, the collision angle α 1 of each solid particle at the time of collision with the wall surface is calculated from the motion velocity vector V p, i (1) before the collision obtained in step S6, and is associated with the position of the wall surface.
Further, the wall collision frequency of each solid particle colliding with the channel wall surface is counted as the number of times the solid particle collides with each position on the wall surface, and is associated with the wall position.
Then, these data are processed into image display data, and the obtained image is displayed on the monitor screen together with the wall image.
[0023]
FIG. 3 shows a result of predicting how particles in a fluid in a pump having an impeller with a side plate affect the inner surface of the side plate by a simulation method according to the present invention. 3A shows the collision angle α 1 of the solid particles, FIG. 3B shows the collision frequency, and FIG. 3C shows the collision velocity | V collision, i |, both of which are on the shroud surface side, that is, the inner surface of the side plate. This shows a collision state with. In FIG. 3, the size is indicated by the contour display method. Therefore, the smaller the enclosed area, the larger the value indicated by the enclosed line. In this simulation, the following factors were employed.
Particle density ρ: 2670 kg / m 3
Particle diameter d p : 25 μm
Particle concentration C v in fluid: 32 kg / m 3
Total number of solid particles to be calculated: 20,000
Time interval Δτ: 0.00005 sec
Iteration number j max: In the simulation example of the shroud surface side (the side plate inner surface) shown in 5000 Figure 3, the impact angle, collision frequency, and impact velocity shows a tendency to very close.
[0024]
In order to verify the validity of the above-described simulation method according to the present invention, the inventor applied paint to the inner surface of the side plate of the impeller of the pump, and allowed the solid-liquid multiphase fluid to flow through the pump, The state of paint remaining on the inner surface was measured. As a result, a result as shown in FIG. 4 was obtained. In FIG. 4, the darker the area, the more paint is removed.
Comparing the experimental results of FIG. 4 with the results of the simulation according to the present invention shown in FIG. 3, it can be seen that substantially the same results are obtained. Therefore, it can be seen that the image obtained by the simulation method according to the present invention appropriately represents the actual collision state of the particles on the inner surface of the side plate of the impeller.
[0025]
When executing the simulation method according to the present invention, the operator specifies a factor representing the actual state of the solid-liquid multiphase fluid such as a river and the shape of the pump to be arranged in the river (flow path shape and boundary conditions). Is input to the simulation system. Then, the effect of the solid-liquid mixed-phase fluid on the pump is estimated by analyzing an image showing the state of collision of the solid particles in the solid-liquid mixed-phase fluid with the pump obtained by operating the simulation system. be able to. Thereby, for example, information such as which part of the pump impeller or the like to be reinforced can be obtained.
On the other hand, in the case of a pump in use (or before use) in an actual river or the like, the remaining life (life) can be estimated. In this life estimation, at least one of the material of the pump impeller, the collision angle of solid particles, the collision frequency, and the collision speed is obtained from a database obtained by conducting experiments under various conditions using a sand wear model. Based on the two analysis results, the pump life (affected by the solid-liquid multiphase fluid) can be estimated.
[0026]
In the above description, an example of simulating the effect of the solid particles of the solid-liquid mixed-phase fluid in the pump on the pump has been described. However, the simulation method of the present invention is not limited to the pump. It can also be applied to simulate the effect of
Since the simulation method according to the present invention is configured as described above, it is possible to appropriately simulate the effect of the solid particles of the solid-liquid multiphase fluid on the wall surface of the pump impeller or the like. Therefore, it is a very effective system for designing the pump and the like and estimating the life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of simulating a wall collision of a solid-liquid multiphase fluid according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a state of collision of solid particles with a channel wall for explaining a simulation method according to the present invention.
FIGS. 3A to 3C show collision angles and collisions of solid particles on the inner surface of a side plate, which is one of flow path walls of a pump impeller with a side plate, obtained by a simulation method according to the present invention. It is a figure of the monitor screen which illustrates a frequency and a collision speed.
FIG. 4 shows the remaining state of paint applied in advance to the inner surface of the side plate of the pump impeller with the side plate by actually flowing a solid-liquid mixed-phase fluid in the pump in order to verify the validity of the simulation method according to the present invention. It is a figure showing the result of the experiment which measured.

Claims (6)

コンピュータによって実行され、固液混相流体中の固体粒子の流路壁面への衝突状態をシミュレーションする方法において、
微細な固体粒子の運動を、固体粒子と固体粒子との間、及び壁面と固体粒子との間で、剛球モデルを用いてラグランジアン的に、固体粒子の運動方程式、回転モーメントに関する運動方程式、及び固体粒子の自由運動時間に基づいて、固体粒子の挙動を追跡することにより、固体粒子の流路壁面への衝突角度、衝突速度、及び衝突頻度の少なくとも1つの分布をシミュレーションする
ことを特徴とする方法。
A method executed by a computer to simulate a collision state of solid particles in a solid-liquid multiphase fluid against a channel wall surface,
The motion of a fine solid particle is expressed by a Lagrangian equation using a hard sphere model between the solid particle and the solid particle, and between the wall and the solid particle. A method for simulating at least one distribution of a collision angle, a collision velocity, and a collision frequency of a solid particle on a channel wall surface by tracking a behavior of the solid particle based on a free movement time of the particle. .
コンピュータによって実行され、固液混相流体中の固体粒子の流路壁面への衝突状態をシミュレーションする方法において、
(a)固液混相流体の流体の運動をナビエストークスの式に基づいて解析することにより、流路壁面及び流路内の固体粒子の各位置及び複数の演算ステップの各時点(t:j=0,1,2,・・・・・)における流体の速度及び方向を表す流速ベクトル(Vf,i)を算出し、記憶するステップと、
(b)流路内の流体中に、所定の粒子濃度に応じて固体粒子をランダム配置して、初期時点(t)における各固体粒子の位置を設定するステップと、
(c)現在の時点(t)における流路中の各固体粒子に作用する抗力ベクトル(Fdrag,i)及び揚力ベクトル(Flift,i)を、固体粒子径(d)、流体密度、及び、固体粒子の位置に相当する流体の現在の時点(t)における流体の流速ベクトル(Vf,i)から演算し、遠心力ベクトル(Fcent,i)を固体粒子径(d)、粒子密度(ρ)、流路中に配置される回転体の回転速度、粒子速度、及び固体粒子の回転半径から演算し、コリオリ力ベクトル(Fcor,i)を固体粒子径(d)、粒子密度(ρ)、流路中に配置される回転体の回転速度、粒子速度、及び固体粒子の回転半径から演算するステップと、
(d)各固体粒子に作用するこれらの力ベクトルを剛球モデルの運動方程式に代入して、各固体粒子の現在の時点(t)における加速度ベクトル(dup,i/dt)を演算するステップと、
(e)回転モーメントに関する運動方程式から、各固体粒子の現在の時点(t)における回転角速度ベクトル(ωp,i)を演算するステップと、
(f)現在の時点(t)における各固体粒子の運動速度ベクトル(Vp,i)を、固体粒子の位置に相当する流体の現在の時点(t)における速度ベクトル(Vf,i)及び固体粒子の加速度ベクトル(dup,i/dt)から演算するステップと、
(g)各固体粒子の現在の時点(t)における運動速度ベクトル(Vp,i)及び回転角速度ベクトル(ωp,i)に基づき、現在の時点(t)から次の時点(tj+1)の間までに流路壁面及び他の固体粒子に衝突する固体粒子を決定するステップと、
(h)流路壁面に衝突する各固体粒子の衝突後の運動速度ベクトル(Vp,i(2))及び回転角速度ベクトル(ωp,i(2))を、現在の時点(t)における該固体粒子の運動速度ベクトル(Vp,i)及び回転角速度ベクトル(ωp,i)を壁面衝突時の運動速度ベクトル(Vp,i(1))及び回転角速度ベクトル(ωp,i(1))として、衝突の方程式から演算するステップと、
(i)現在の時点(t)における流路壁面に衝突する各固体粒子の壁面衝突時の速度ベクトル(Vp,i(1))及び回転角速度ベクトル(ωp,i(1))に基づいて、各固体粒子の衝突速度ベクトル(Vcollision,i)を演算するステップと、
(j)次の時点(tj+1)における各固体粒子の位置と運動状態を決定するステップと、
(k)ステップ(c)〜(j)を反復実行することにより、全ての時点における各固体粒子の壁面衝突時の運動速度ベクトル(Vp,i(1))及び回転角速度ベクトル(ωp,i(1))を演算し、かつ、流路壁面に衝突する固体粒子を決定してその衝突速度ベクトル(Vcollision,i)を演算する、反復実行ステップと、
(l)演算された固体粒子の衝突速度ベクトル(Vcollision,i)の大きさを、流路壁面の位置に対応付けて表示するステップと
からなることを特徴とするシミュレーション方法。
A method executed by a computer to simulate a collision state of solid particles in a solid-liquid multiphase fluid against a channel wall surface,
(A) By analyzing the motion of the solid-liquid multiphase fluid based on the Navier-Stokes equation, each position of the flow path wall surface and the solid particles in the flow path and each time point (t j : j) of a plurality of calculation steps = 0, 1, 2,...) To calculate and store a flow velocity vector (V f, i ) representing the velocity and direction of the fluid;
(B) randomly arranging solid particles according to a predetermined particle concentration in the fluid in the flow path, and setting the position of each solid particle at an initial time point (t 0 );
(C) The drag vector (F drag, i ) and the lift vector (F lift, i ) acting on each solid particle in the flow path at the current time point (t j ) are represented by the solid particle diameter (d p ) and the fluid density. , And the flow velocity vector (V f, i ) of the fluid at the current time point (t j ) of the fluid corresponding to the position of the solid particles, and the centrifugal force vector (F cent, i ) is calculated as the solid particle diameter (d p ), The particle density (ρ), the rotation speed of the rotating body disposed in the flow path, the particle speed, and the rotation radius of the solid particles, and calculate the Coriolis force vector (F cor, i ) as the solid particle diameter (d p ), A particle density (ρ), a rotation speed of a rotating body disposed in the flow path, a particle speed, and a step of calculating from a radius of rotation of the solid particles;
(D) Substituting these force vectors acting on each solid particle into the equation of motion of the hard sphere model to calculate an acceleration vector (dup , i / dt) at the current time point (t j ) of each solid particle. When,
(E) calculating a rotational angular velocity vector (ω p, i ) at a current time point (t j ) of each solid particle from an equation of motion regarding a rotational moment;
(F) motion velocity vector of each solid particle at the current time point (t j) (V p, i) the current point in time (t j) velocity in the vector of the fluid corresponding to the position of the solid particles (V f, i ) And the acceleration vector (dup , i / dt) of the solid particles;
(G) The next time point (t j ) from the current time point (t j ) based on the motion velocity vector (V p, i ) and the rotational angular velocity vector (ω p, i ) of each solid particle at the current time point (t j ). j + 1 ) determining the solid particles that collide with the channel walls and other solid particles by the time of
(H) The motion velocity vector (V p, i (2) ) and the rotational angular velocity vector (ω p, i (2) ) of each solid particle colliding with the flow path wall surface after the collision are determined by the current time point (t i ) The motion velocity vector (V p, i ) and the rotation angular velocity vector (ω p, i ) of the solid particles at the time of collision with the motion velocity vector (V p, i (1) ) and the rotation angular velocity vector (ω p, i (1) calculating from the collision equation as:
(I) The velocity vector (V p, i (1) ) and the rotational angular velocity vector (ω p, i (1) ) of each solid particle colliding with the channel wall surface at the current time point (t j ) at the time of wall collision are Calculating a collision velocity vector (V collision, i ) for each solid particle based on:
(J) determining the position and the motion state of each solid particle at the next time point (t j + 1 );
(K) By repeatedly performing steps (c) to (j), the motion velocity vector (V p, i (1) ) and the rotational angular velocity vector (ω p, i (1) ), and determining the solid particles that collide with the flow path wall surface and calculating the collision velocity vector (V collision, i );
(L) displaying the calculated magnitude of the collision velocity vector (V collision, i ) of the solid particles in association with the position of the channel wall surface.
請求項2記載のシミュレーション方法において、該方法はさらに、
(m)各時点(t)における、流路壁面に衝突する各固体粒子の壁面衝突時の衝突角度(α)を、各固体粒子の衝突前の運動速度ベクトル(Vp,i(1))に基づいて演算するステップと、
(n)得られた衝突角度(α)の大きさを、流路壁面の位置に対応付けて表示するステップと
からなることを特徴とするシミュレーション方法。
3. The simulation method according to claim 2, wherein the method further comprises:
(M) At each time point (t j ), the collision angle (α 1 ) of each solid particle colliding with the channel wall surface at the time of wall collision is determined by the motion velocity vector (V p, i (1 A) calculating based on:
(N) displaying the magnitude of the obtained collision angle (α 1 ) in association with the position of the flow channel wall surface.
請求項2又は3記載のシミュレーション方法において、該方法はさらに、
(o)全ての時点における、流路壁面に衝突する各固体粒子の壁面衝突頻度を、流路壁面の位置に対応付けて演算するステップと、
(p)得られた壁面衝突頻度の大きさを、流路壁面の位置に対応付けて表示するステップと
からなることを特徴とするシミュレーション方法。
The simulation method according to claim 2, wherein the method further comprises:
(O) calculating a wall collision frequency of each solid particle colliding with the flow path wall surface at all time points in association with the position of the flow path wall surface;
(P) displaying the magnitude of the obtained wall collision frequency in association with the position of the flow path wall surface.
請求項1〜4いずれかに記載のシミュレーション方法において、流路は、ポンプ内部であることを特徴とするシミュレーション方法。5. The simulation method according to claim 1, wherein the flow path is inside the pump. コンピュータによって実行され、固液混相流体中の固体粒子の流路壁面への衝突状態をシミュレーションするための方法を実行するためのプログラムであって、該方法は、請求項1〜5いずれかに記載のシミュレーション方法であることを特徴とする、プログラム。A program executed by a computer to execute a method for simulating a collision state of solid particles in a solid-liquid multiphase fluid against a channel wall surface, wherein the method is any one of claims 1 to 5. A program characterized by the above simulation method.
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