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実験と数値計算の協働によるKorteweg効果を伴う部分混和系界面流体力学の深化

Research Project

Project/Area Number 22K03900
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 InstitutionTokyo University of Agriculture and Technology

Principal Investigator

長津 雄一郎  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60372538)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
KeywordsViscous fingering
Outline of Research at the Start

研究代表者らは、初めて部分混和系でのViscous fingering(VF)実験を成功させ、多数の液滴を形成するパターンになることを見出し、その起源は、相分離とその相分離の際に自発的に生じる対流(Korteweg効果)であることを提示した。さらに、部分混和系の相分離とKorteweg効果を加味したVFの数値計算研究を行い、多数の液滴を形成するパターンの再現に成功した。また一連の水性二相系を用いる部分混和系VF実験研究では、種々の特異なダイナミクスを明らかにしている。本研究では、先述の実験と数値計算の融合研究を深化させ、相分離とKorteweg効果を伴う部分混和系VFの更なる理解を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は主として、多孔質媒質中の部分混和系粘性フィンガリングのパターンを解明するとともに、完全混和系、非混和系、部分混和系と溶液の混和度を変えることによるフィンガーパターンの違いを明らかにすることを目的として本研究を行った。この研究では、半径方向に制限された形状において、多孔質媒質を模倣した2-D micromodelを用いて低粘性流体で高粘性流体を置換する実験を行った。その結果部分混和系流体では、粘性の低い溶液から高い溶液に向かうKorteweg力によって、フィンガーパターンから液滴パターンへの変化が促進され、それに伴い置換の様子も変化することが観察された。そして、置換の様子は主に①相分離時に現れ対流を誘起する体積力、いわゆるKorteweg力の大きさと方向、および②液滴が流路に詰まることによって生じる毛細管圧力、という2つの要因が組み合わさり、決定することが明らかとなった。
またPEG-硫酸マグネシウム-水系の部分混和系VF実験も行った。従来の硫酸ナトリウムを用いたものと同様、液滴が発生するパターンが見られた。硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウムともに、注入流量を大きくすると、液滴生成は抑制された。また、濃度を低くすると液滴生成は抑制され、通常のVFパターンを示し、さらに低濃度では指の先端がとがったVFパターンが得られた。硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウムともにこの傾向がみられたが、同濃度では硫酸マグネシウムのほうがより高濃度で硫酸ナトリウムで得られた結果に似たパターンが得られた。すなわち、部分混和系では濃度に差はあるものの見られる現象やその背景にある理論は基本的に同じであると推察できる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実験研究では、ある程度の成果が得られたが、数値計算では大きな進展がなかった。

Strategy for Future Research Activity

Radial系数値シミュレーションによる部分混和系VFを完成させる。3成分系部分混和系VFの数値シミュレーションを確立する。3次元条件での部分混和系VF実験を行う。部分混和系VFにおける化学種や物理条件の影響を調査する。2成分系部分混和系VFの数値シミュレーションにおけるKorteweg力の影響を調査する。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] インド工科大学ローパー校(インド)

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  • [Int'l Joint Research] 台湾国立陽明交通大学(その他の国・地域)

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  • [Journal Article] Unpredictable polymeric flow dynamics with reaction between HPAM and Al<sup>3+</sup> by comparison between pre- and post-reaction fluid properties2023

    • Author(s)
      Hirano Sae、Nagatsu Yuichiro、Suzuki Ryuta X.、Iijima Jun
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 25 Issue: 15 Pages: 10504-10511

    • DOI

      10.1039/d2cp05827h

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  • [Journal Article] Experimental demonstration of the suppression of viscous fingering in a partially miscible system2023

    • Author(s)
      Iwasaki Kaori、Nagatsu Yuichiro、Ban Takahiko、Iijima Jun、Mishra Manoranjan、Suzuki Ryuta X.
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 25 Issue: 19 Pages: 13399-13409

    • DOI

      10.1039/d3cp00415e

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  • [Journal Article] Numerical study of the effect of P?clet number on miscible viscous fingering with effective interfacial tension2023

    • Author(s)
      Deki Yuka F.、Nagatsu Yuichiro、Mishra Manoranjan、Suzuki Ryuta X.
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: 965

    • DOI

      10.1017/jfm.2023.405

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  • [Journal Article] Understanding the reactive interfacial flow dynamics with production of viscoelastic material through large amplitude oscillatory shear (LAOS) measurements of the viscoelastic interface2023

    • Author(s)
      Yagi Harumi、Nagatsu Yuichiro、Takano Masayoshi、Suzuki Ryuta X.
    • Journal Title

      Journal of Rheology

      Volume: 67 Issue: 4 Pages: 935-947

    • DOI

      10.1122/8.0000650

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Reversal of effects from gel production in a reacting flow dependent on gel strength2022

    • Author(s)
      Hirano Sae、Nagatsu Yuichiro、Suzuki Ryuta X.
    • Journal Title

      Physical Review Fluids

      Volume: 7 Issue: 2 Pages: 023201-023201

    • DOI

      10.1103/physrevfluids.7.023201

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical study on topological change of viscous fingering induced by a phase separation with Korteweg force2022

    • Author(s)
      Seya Shoji、Suzuki Ryuta X.、Nagatsu Yuichiro、Ban Takahiko、Mishra Manoranjan
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: 938

    • DOI

      10.1017/jfm.2022.158

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Stress field visualization of Saffman-Taylor instability in Hele-Shaw cell2023

    • Author(s)
      Misa Kawaguchi, William Worby, Ryuta Suzuki, Yuichiro Nagatsu, Yoshiyuki Tagawa
    • Organizer
      76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Experimental demonstration on suppression of viscous fingering in a partially miscible system2023

    • Author(s)
      Ryuta Suzuki, Kaori Iwasaki, Takahiko Ban, Jun Iijima, Manoranjan Mishra, Yuichiro Nagatsu
    • Organizer
      76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical simulation of radial viscous fingering in a partially miscible system2023

    • Author(s)
      Yuka Deki, Chi-Chian Chou, Ching-Yao Chen, Yuichiro Nagatsu, Takahiko Ban, Manoranjan Mishra, Ryuta Suzuki
    • Organizer
      76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マイクロセルを用いた部分混和系Viscous fingering2023

    • Author(s)
      木内俊汰, Manoranjan Mishra, 長津雄一郎, 伴貴彦, Anindityo Patmonoaji, 鈴木龍汰
    • Organizer
      化学工学会 第54回秋季大会, Sep. 11-13, 2023 (福岡, 日本)
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  • [Presentation] 有効界面張力を伴う混和系VFにおけるペクレ数の影響に関する数値シミュレーション2023

    • Author(s)
      鈴木龍汰, 出来優花, 長津雄一郎, Manoranjan Mishra
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2023, Sep. 20-22, 2023 (東京, 日本)
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 注入流量に応じて、反応による粘度低下が混和粘性フィンガリングに与える相反する効果2023

    • Author(s)
      鈴木龍汰, 新井洵太郎, 増茂丈雄, ○長津雄一郎, Anne De Wit
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2023, Sep. 20-22, 2023 (東京, 日本)
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Arresting Effect on Interfacial Phase Separation by an Imposed Flow2022

    • Author(s)
      Ryuta X. Suzuki, Takahiko Ban, Shoji Seya, Manoranjan Mishra, Yuichiro Nagatsu
    • Organizer
      Nineteenth International Conference on Flow Dynamics
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Stabilization of Viscous fingering in a Partially miscible system2022

    • Author(s)
      Kaori Iwasaki, Ryuta X. Suzuki, Takahiko Ban, Manoranjan Mishra, Yuichiro Nagatsu
    • Organizer
      Nineteenth International Conference on Flow Dynamics
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Pe on miscible viscous fingering with an effective interfacial tension2022

    • Author(s)
      Yuka Deki, Yuichiro Nagatsu, Manoranjan Mishra, Ryuta X. Suzuki
    • Organizer
      Nineteenth International Conference on Flow Dynamics
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical study on viscous fingering with a phase separation and the Korteweg force in a partially miscible system2022

    • Author(s)
      Ryuta X. Suzuki, Shoji Seya, Yuichiro Nagatsu, Takahiko Ban, Manoranjan Mishra
    • Organizer
      American Physical Society, Division of Fluid Dynamics
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Pe on miscible viscous fingering with an effective interfacial tension2022

    • Author(s)
      Yuka Deki, Yuichiro Nagatsu, Manoranjan Mishra, Ryuta X. Suzuki
    • Organizer
      American Physical Society, Division of Fluid Dynamics
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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