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Elucidation of non-equilibrium phase change at gas-liquid interface mechanism for mixture gas and its application to molecular multi-phase fluid dynamics

Research Project

Project/Area Number 20K04277
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

Kobayashi Kazumichi  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80453140)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 藤井 宏之  北海道大学, 工学研究院, 助教 (00632580)
渡部 正夫  北海道大学, 工学研究院, 教授 (30274484)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords気体論境界条件 / 蒸発係数 / 凝縮係数 / 分子動力学 / 分子運動論 / Enskog-Vlasov方程式 / 気液相変化 / 凝縮係数・蒸発係数 / Boltzmann equation / 混合気体 / Enskog-Vlasov equation
Outline of Research at the Start

本研究は,分子気体運動論解析や分子動力学法などを用いて,凝縮性気体(例えば水蒸気)と非凝縮性気体(例えば空気)から成る混合気体と液体の境界における分子論的境界条件を構築ことを目的としている.また,得られた分子論的境界条件を流体力学方程式系の境界条件へと展開する.この境界条件が構築されることで,蒸発・凝縮を伴う混相流体の流れを正しく取り扱うことができるようになり,工学のみならず環境学などの分野にも応用することが可能となる.
また,現在も未解明となっている気液界面の相変化物理について,分子レベルから正しい知見を得ることも本研究の大きな目的の一つである.

Outline of Final Research Achievements

In this study, the kinetic boundary conditions at liquid surfaces in contact with gas mixtures (condensable gas and non-condensable gas) were determined by using molecular dynamics and mean-field kinetic theory analysis to determine the values of the evaporation and condensation coefficients, especially in the gas-liquid non-equilibrium state.
As a result, it was confirmed that the values of condensation and evaporation coefficients are affected by the number of non-condensable gas molecules regardless of the gas-liquid equilibrium or nonequilibrium state. One reason for this is that the number of non-condensable gas molecules near the gas-liquid interface increases when there is a large amount of non-condensable gas in the gas phase. As a result, vapor molecules evaporating from the liquid are more likely to collide with non-condensable gas molecules, and backscattering is suggested to have the effect of returning to the liquid again.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は,気液界面における熱・物質輸送について重要な因子となる蒸発・凝縮係数を分子シミュレーションを用いて求めた.特に,これまで未解明であった非平衡状態における混合気体に接した液面上の蒸発・凝縮係数の値を決定し,混相流体の力学にその知見を展開することを目指している.本研究成果より,平衡状態・非平衡状態に関わらず,蒸発係数や凝縮係数の値は液体温度と非凝縮気体分子の数で整理できることが明らかとなった.これは,様々な種類の分子について蒸発係数や凝縮係数の値が必要となった場合,気液平衡系のみを解析することで蒸発係数や凝縮係数を決定できることを示唆しており,応用上重要な知見である.

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (21 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Vapor condensation induced by fast-moving liquid film in the presence of noncondensable gas molecules2023

    • Author(s)
      Ohashi Kotaro、Kobayashi Kazumichi、Fujii Hiroyuki、Watanabe Masao
    • Journal Title

      International Communications in Heat and Mass Transfer

      Volume: 142 Pages: 106622-106622

    • DOI

      10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.106622

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Molecular dynamics study of evaporation induced by locally heated argon liquid2022

    • Author(s)
      Tabe Hirofumi、Hiramatsu Kiryu、Kobayashi Kazumichi、Fujii Hiroyuki、Watanabe Masao、Totani Tsuyoshi
    • Journal Title

      Applied Thermal Engineering

      Volume: 212 Pages: 118472-118472

    • DOI

      10.1016/j.applthermaleng.2022.118472

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Molecular dynamics simulation of evaporation coefficient of vapor molecules during steady net evaporation in binary mixture system2022

    • Author(s)
      Hirofumi Tabe, Kazumichi Kobayashi, Hiroyuki Fujii, and Masao Watanabe
    • Journal Title

      International Journal of Heat and Mass Transfer

      Volume: 188 Pages: 122663-122663

    • DOI

      10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122663

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mean-field kinetic theory analysis of vapor flow between evaporating and condensing interfaces in the presence of non-condensable gas molecules2021

    • Author(s)
      Ohashi Kotaro、Kobayashi Kazumichi、Fujii Hiroyuki、Watanabe Masao
    • Journal Title

      Physics of Fluids

      Volume: 33 Issue: 12 Pages: 122017-122017

    • DOI

      10.1063/5.0073118

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Molecular dynamics study on characteristics of reflection and condensation molecules at vapor-liquid equilibrium state2021

    • Author(s)
      Tabe Hirofumi、Kobayashi Kazumichi、Fujii Hiroyuki、Watanabe Masao
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 16 Issue: 3 Pages: e0248660-e0248660

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0248660

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Evaporation coefficient and condensation coefficient of vapor under high gas pressure conditions2020

    • Author(s)
      Ohashi Kotaro、Kobayashi Kazumichi、Fujii Hiroyuki、Watanabe Masao
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-020-64905-5

    • NAID

      120006844545

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  • [Presentation] 壁と液体に挟まれた希薄クエット流 れに関する分子動力学解析2022

    • Author(s)
      青木 康汰、田部 広風海、小林 一道、藤井 宏之、渡部 正夫
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2022
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  • [Presentation] せん断応力が作用する液面の気体論境界条件に 関する分子動力学解析2022

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      青木 康汰、田部 広風海、小林 一道、藤井 宏之、渡部 正夫、奈良 駿希、髙嶋 英厳
    • Organizer
      第36回数値流体力学シンポジウム
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  • [Presentation] Condensation Induced by Rapidly Moving Liquid Film Surrounded by Vapor and Non-condensable Gas2022

    • Author(s)
      Kotaro Ohashi、Kazumichi Kobayashi、Hiroyuki Fujii、Masao Watanabe
    • Organizer
      32nd International Symposium on Rarefied Gas Dynamics (RGD32)
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      村松 幹大、大橋 広太郎、小林 一道、藤井 宏之、渡部 正夫
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      青木康汰、大橋 広太郎、小林 一道、藤井 宏之、渡部 正夫
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      第35回数値流体力学シンポジウム
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  • [Presentation] 平均場運動理論に基づいた蒸気と非凝縮性気体から成る二成分系の二液膜問題の数値解析2021

    • Author(s)
      大橋 広太郎、小林 一道、藤井 宏之、渡部 正夫
    • Organizer
      日本機械学会 2021年度年次大会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Mean-Field Kinetic Theory Analysis of Evaporation Coefficient and Condensation Coefficient of Vapor2021

    • Author(s)
      Kotaro Ohashi, Kazumichi Kobayashi, Hiroyuki Fujii, Masao Watanabe
    • Organizer
      Pre-RGD32 Workshop
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      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 相変化を伴う気液界面ダイナミクスのマルチスケール解析2021

    • Author(s)
      小林一道
    • Organizer
      水の先進理工学第183委員会
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      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] レーザーアブレーション中に発生する気泡の膨張/収縮に関する数値解析2020

    • Author(s)
      村松 幹大、小林 一道、藤井 宏之、渡部 正夫
    • Organizer
      日本機械学会 第98期 流体工学部門 講演会
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  • [Presentation] 非凝縮性気体が液膜の非平衡蒸発へ与える影響に関する分子動力学解析2020

    • Author(s)
      田部 広風海、小林 一道、藤井 宏之、渡部 正夫
    • Organizer
      日本機械学会 第98期 流体工学部門 講演会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 平均場運動論に基づいた温度の異なる二液膜間の混合気体流れに関する数値シミュレー ション2020

    • Author(s)
      大橋 広太郎、小林 一道、藤井 宏之、渡部 正夫
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2020
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 多成分混合系における液膜の非平衡蒸発 に関する分子動力学解析2020

    • Author(s)
      田部 広風海、小林 一道、藤井 宏之、渡部 正夫
    • Organizer
      第34回数値流体力学シンポジウム
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  • [Remarks] https://tfp.eng.hokudai.ac.jp/

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  • [Remarks] 北海道大学 工学研究院 熱流体物理学研究室

    • URL

      https://tfp.eng.hokudai.ac.jp/

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  • [Remarks] 熱流体物理学研究室

    • URL

      https://tfp.eng.hokudai.ac.jp/

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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