Slide background

If you are interested in our current studies,
do not hesitate to contact us!

Slide background

A wide range of engineering application

Slide background

Physics based computer graphics

xx
Slide background

Numerical modeling of industrial processes

Slide background

Advanced multi-physics simulations

Overview

In my group, discrete element modeling is extensively studied, e.g., modeling of a granular flow in a complex shape, modeling of a solid-liquid flow involving a free surface, numerical simulation of a multi-phase flow involving heat transfer and development of the parallel computation technologies. If you are interested in my group's technologies, please read the journal papers [link].

1. DEM

離散要素法(Discrete Element Method (DEM))は、ラグランジュ的手法であり、個々の固体粒子の挙動をニュートンの第2法則に基づいて模擬します。 DEMは、バネ、ダッシュポットおよびフリクションスライダーを用いたシンプルな手法ですが、粉体シミュレーションの世界標準の手法であり、極めて有用な情報が得られます。 酒井研究室では、DEMの産業応用を目的として、任意壁面形状内の粉体の数値シミュレーションのために符号付距離関数(Signed Distance Function (SDF))を用いた壁面境界モデルを提案しています。 SDFの導入により、既存手法では極めて困難であった、スクリュー搬送[1-1]、乾式ミル[1-1]、二軸混練器[1-2]、リボンミキサー[1-3]、複雑形状の粉末金型充填[1-4]、ポットブレンダー[1-5]などの複雑形状の計算領域内の粉体の流動に関する数値シミュレーションがシンプルなアルゴリズムで実行できるようになりました。

The Discrete Element Method (DEM) is well employed in a numerical simulation of a granular flow. The DEM is a Lagrangian approach based on the Newton's second law of motion, where the contact force is modeled by springs, dash-pots and a friction slider. Although the DEM is a very simple model, it is a standard approach in computational granular dynamics. In previous studies, the DEM was hardly applied to a complex shape domain due to difficulty of arbitrary shape wall modeling. In order to solve this problem, a new arbitrary shaped wall boundary model is developed in my group. The Sign Distance Function (SDF) is used to create the arbitrary shape wall. The DEM/SDF makes it possible to perform numerical simulation of a granular flow in a complex domain, e.g., screw conveying [1-1], a twin-screw kneader [1-2], a ribbon mixer [1-3], die-filling [1-4] and a pot blender [1-5].

スクリュー搬送/Screw conveying

ポットブレンダー/Pot blender

二軸混練機/Twin screw kneader

粉末金型充填/Die-filling

リボンミキサー/Ribbon mixer


References
[1-1] Y. Shigeto and M. Sakai, Chem. Eng. J., 231, 464-476 (2013)
[1-2] M. Sakai et al., Chem. Eng. J., 279, 821-839 (2015)
[1-3] G. Basinskas and M. Sakai, Powder Technol., 287, 380-394 (2016)
[1-4] Y. Tsunazawa, Y. Shigeto, C. Tokoro, M. Sakai, Chem. Eng. Sci., 138, 791-809 (2015)
[1-5] G. Basinskas and M. Sakai, Powder Technol., 301, 815-829 (2016)

2. DEM-CFD method/Coarse grain model of the DEM

DEMと数値流体力学(Computational Fluid Dynamics (CFD))を連成したDEM-CFD法は、固気混相流の数値シミュレーションに応用されてきました。 DEM-CFD法では、局所体積平均法に基づく流体の支配方程式を使用し、流体計算の格子サイズは固体粒子よりも十分に大きく設定します。 DEM-CFD法は、大規模体系のシミュレーションが実質的に実行できないことがシミュレーションの産業応用における課題でした。 酒井研究室で独自開発したスケーリング則のDEM粗視化モデルを使用すると、1台のPCで莫大な粒子数の体系を計算することができます。 DEM粗視化モデルは、気流搬送システム[2-1]、流動層[2-2, 2-3, 2-4]などにおいて、実験による検証が行われ、妥当性および信頼性が示されています。

The DEM-CFD method is well employed to simulate a gas-solid flow. Performing a large-scale DEM simulation using a single PC is required from industries. In the existing DEM-CFD method, large-scale systems could not be performed on a single PC due to heavy calculation costs. To solve this problem, the coarse grain model of the DEM was proposed by my group. The coarse grain model is a scaling law model, namely, modeled large-size particle represents group of the original particles. In the coarse grain model, total energy is assumed to agree between the coarse grain particle and the original particle systems. Hence, the coarse grain model can reduce number of the calculated particles drastically than that in the actual system. The coarse grain model is shown to simulate pneumatic conveying system [2-1] and fluidized beds [2-2, 2-3, 2-4]. Consequently, adequacy of the coarse grain model is shown through the verification and/or validation tests.

3次元流動層-1 / 3D Fluidized bed-1

3次元流動層-2 / 3D Fluidized bed-2

3次元噴流層 / 3D Spouted bed

気流搬送/Pneumatic conveying

3次元粉末金型充填 / 3D Die filling with air flow


References
[2-1] M. Sakai and S. Koshizuka, Chem. Eng. Sci., 64, 533-539 (2009)
[2-2] M. Sakai et al., Adv. Powder Technol., 23, 673-681 (2012)
[2-3] M. Sakai et al., Int. J. Numer. Meth. Fluids, 64, pp.1319-1335 (2010)
[2-4] M. Sakai et al., Chem. Eng. J., 244, 33-43 (2014)
[2-5] K. Takabatake et al., Chem. Eng. J., 346, 416-426 (2018)
[2-6] H. Yao et al., J. Taiwan Inst. Chem. Eng. (in press)

3. DEM-MPS method/DEM-SPH method

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)やMoving Particle Semi-implicit (MPS)法は、メッシュフリー法のCFDであり、移流項の数値粘性が考慮されないため、自由液面流れを精度よく計算できると言われています。 酒井研究室では、流体をSPHまたはMPS法で模擬し、固相をDEMで模擬する固液混相流の数値解析手法を独自開発しました。 これらの手法は、DEM-SPH法またはDEM-MPS法と呼ばれています。これらの手法においても、局所体積平均法に基づく流体の支配方程式が採用されています。 DEM-SPH法およびDEM-MPS法は、自由液面を伴う固液混相流を精度よく実行することができます。 DEM-SPH法およびDEM-MPS法は、湿式ボールミル[3-1, 3-2, 3-3]やビーズミル[3-4]において、数値解析結果と実験結果の一致により、妥当な結果が得られることが示されています。

The Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) and the Moving Particle Semi-implicit (MPS) are well known as mesh-free particle method. These methods have advantage to simulate a free surface fluid flow precisly. In my group, the DEM-SPH method and the DEM-MPS method are developed to simulate a solid-liquid flow involving free surface. Adequacy of these approach is illustrated thorough verification and validation tests in wet milling systems [3-1, 3-2, 3-3, 3-4].

湿式ボールミル/Wet ball mill

ビーズミル/Bead mill


References
[3-1] X. Sun, M. Sakai, M-T. Sakai, Y. Yamada, Chem. Eng. J., 246, 122-141 (2014)
[3-2] M. Sakai et al., Chem. Eng. J., 200-202, 663-672 (2012)
[3-3] X. Sun, M. Sakai, Y. Yamada, J. Comput. Phys., 248, 147-176 (2013)
[3-4] Y. Yamada and M. Sakai, Powder Technol., 239, 105-114 (2013)

4. DEM-VOF method

自由液面流れの数値シミュレーションについて、SPHやMPS法では実行困難であっても、最先端のVOFを使用すれば容易に実行できることが多くあります。 酒井研究室では、自由液面流れの世界標準として使用されているVolume-of-Fluid (VOF)を用いて、任意形状壁面内部の固気液三相流れの数値解析技術を独自開発し、DEM-VOF法と名付けました。 このくらいのハイレベルな数値シミュレーションになると、世界トップレベルのグループでもなかなか実行することができません。

Quite small number of groups possesses advanced technologies for a simulation of a gas-solid-liquid flow, though this is regarded to be great importance in science and engineering. This is because algorithm for the three phase flow is complex and extremely difficult. In my group, the DEM-VOF method [4-1] is developed to simulate the gas-solid-liquid flow in a complex shape domain. In the DEM-VOF, the SDF and immersed boundary method (IBM) are employed to express the arbitrary shaped wall [4-2]. To my best knowledge, only my group can simulate the gas-solid-liquid flow in a complex shape domain.

ダムブレイク/Dam break

気液二相流/Gas-liquid flow

固気液三相流れ/Gas-solid-liquid flow

二軸混練機/Twin screw kneader


References
[4-1] X. Sun and M. Sakai, Chem. Eng. Sci., 134, 531-548 (2015)
[4-2] X. Sun and M. Sakai, Chem. Eng. Sci., 139, 221-240 (2015)

5. MPS method

MPS法は、メッシュフリー法のCFDであり、移流項の数値粘性が考慮されないため、自由液面流れを精度よく計算できると言われています。 MPS法の応用範囲は最先端のVOFに比べて狭いため、産業応用のための研究が必要になります。 酒井研究室では、MPS法を用いて高粘性流体の挙動を効率よく計算するアルゴリズム[5-1]を開発しました。 また、MPS法における熱流束境界モデル[5-2]の開発も行っています。 本手法は、ガラス溶融炉の流下プロセスや炉心溶融の数値シミュレーションに応用されています。

Again, the mesh-free particle method such as the MPS method is well employed in the simulation of a free surface fluid flow. The MPS method has not been established, and hence fundamental studies are still required to improve the applicability. In my group, new numerical models are developed for efficient calculation of a highly viscous fluid flow [5-1] and for setting heat flux at the free surface [5-2]. The MPS method is applied in nuclear engineering or resilience engineering in my group.

伝熱を伴う自由液面流れ/Free surface fluid flow involving heat transfer

ガラス溶融炉の流下/Highly viscous fluid flow discharged from a glass melter


References
[5-1] X. Sun et al., Nucl. Eng. Des., 248, 14-21 (2012)
[5-2] K. Takabatake et al., Int. J. Heat Mass Transf., 103, 635-645 (2016)

6. Parallel computing

A large-scale DEM simulation should be completed as fast as possible. Program should be made corresponding to the properties of the latest hardwares. Thread parallel computation technique is introduced in our group. The OpenMP is employed in introducing the multi-thread parallel computation technique. An original multi-threade parallel computation algorithm [6-1] was developed for the DEM simulation.

Reference
[6-1] Y. Shigeto, M. Sakai, Particuology, 9, 398-405 (2011)

PAGE TOP