Examples of Computational Fluid Dyamics 粒子挙動解析の事例

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【ResolvedCFDEMとUnresolvedCFDEM】
CFDEMソルバには大きく分けて2種類あります。ResolvedCFDEMは粒子サイズが比較的大きい場合に、粒子をCFDメッシュ(埋め込み境界法)で解像することにより、粒子周辺の詳細な流れを解析することができます。
一方、UnresolvedCFDEMはCFDの格子サイズが粒子サイズよりも十分大きい場合に使用します。粒子周辺の詳細な流れを解くことはできませんが、数百万粒子を含む計算が可能です。

【粒子サイズ差の大きい粒子を含むCFD-DEM】
リチウムイオン電池電極の乾燥プロセスをResolvedCFDEMとUnresolvedCFDEMを結合させたハイブリッドシミュレーションで解析した例です。粒子サイズの大きい活物質(=充放電を担う物質)と粒子サイズの小さいカーボンブラック(=導電性を助ける物質)を含む解析ですが、このような粒子サイズ差が大きい場合、計算コストを抑えるためにはこのハイブリッド手法が有効です。
動画左は、大きな活物質がResolvedCFDEMを用いて表現されており、溶媒の蒸発により、上方向への流体の流れが発生していることがベクトル表示からわかります。また、動画右で表示されている小さなカーボンブラックはUnresolvedCFDEMを用いてモデル化されています。乾燥の過程で、大きい粒子は沈降していきますが、小さい粒子はブラウン運動等により沈降しづらく、偏析していく様子がわかります。この偏析はリチウムイオン電池の劣化、性能に関わる重大な問題ですが、CFDEM®couplingを用いて、その製造プロセスを調査・最適化することが可能となります。