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【粒子法】Vol.25 流体の濃度拡散

2023年12月21日

はじめに

濃度拡散は、物質が高濃度から低濃度へと自然に広がる現象です。この現象により、成分または濃度が均一になります。例として、ティーパックのお茶成分が徐々に広がる現象や、コーヒーにミルクを加えた場合のように、成分が混ざり合います。

今回、4リットルの槽に最初に注がれた液体に4リットルの追加液体を投入しました。濃度1.0の初期液体と、濃度0.0の追加液体が混ざる過程を流体解析で確認しました。また、3パターンの排出口の位置で、初期流体の濃度が最も低下する位置を確認しました。

実施ケース

以下の、3ケースの解析を行いました。



解析モデル



解析条件

濃度の条件を以下に示します。



解析に用いるパラメータを以下に示します。



解析結果

速度

速度コンター表示のアニメ-ションを示します。 解析領域全体の平均流速の時間変化を示します。


流出位置が流入から遠いほど、槽内の平均速度が大きくなりました。



濃度(パッシブスカラー)

濃度コンター表示のアニメ-ションを示します。 解析領域全体の平均濃度の時間変化を示します。


流出位置が流入から遠いほど、槽内の平均濃度が大きくなりました。

結果評価

5秒後のヒストグラム

5秒後の解析領域全体における速度、濃度のヒストグラムを示します。



速度のヒストグラムより、流入口x=560では速度ゼロの粒子が最も少なく、槽全体が流動していることが確認できました。追加液体によって、槽内が滞留なく流動していると考えられます。

濃度のヒストグラムより、流入口x=560では濃度ゼロの粒子が最も少ないことを確認しました。追加液体によって、初期流体が押し出されやすい流出口の位置であると考えられます。また、濃度0.0~0.6の裾が長いため、初期流体と追加液体が最も混合され拡散していると考えられます。

まとめ

・流体解析にて、初期流体へ追加流体を投入した際の濃度変化を検証しました。
・流入口から遠い位置に流出口を設けることで、初期流体の濃度が最も低下することを確認しました。
・流入口から遠い位置に流出口を設けることで、初期流体から先に流出しやすく、槽内の流動性が高くなることを確認しました。

[From H.Yazawa]

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