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Simulation of surfactant-laden two-phase flow through porous materials for design of coalescer

Research Project

Project/Area Number 22K04803
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 27010:Transport phenomena and unit operations-related
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

三野 泰志  岡山大学, 環境生命自然科学学域, 助教 (70709922)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords油水分離 / コアレッサー / 数値シミュレーション / 混相流 / 格子ボルツマン法
Outline of Research at the Start

本研究では、水中に分散した油滴(O/Wエマルション)をフィルターを用いて効率的に分離する技術の一つである「コアレッサー」を理論的に設計するための指針の確立を目指す。フィルターのような多孔体内部の油滴運動を詳細に調べるための数値シミュレーション技術を開発する。さらに、O/Wエマルションが多孔体を透過する様子をシミュレーションと直接観察実験により調査し、種々の因子と形成される油滴サイズとの関係を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、水中に分散した油滴(O/Wエマルション)をフィルターによって効率的に分離する技術の一つである「コアレッサー」を理論的に設計するための指針を確立することである。O/Wエマルションが多孔体を透過する様子を数値シミュレーションと直接観察実験によって調査し、油滴の合一挙動に影響を及ぼす因子を明らかにすることを目指して、令和5年度は以下の成果を得た。
(1)数値シミュレーション技術の開発:界面活性剤を含む油-水二相流体を表現するための流体シミュレーション技術を開発した。計算の高速化を図るために、二相流体の運動の計算には格子ボルツマン法を、界面活性剤の移流・拡散の計算には有限差分法を用いるハイブリッド型アルゴリズムを構築した。さらに、OpenMPによる並列計算を可能にした。以上のようにモデルを改良した結果、二相流体の多孔体透過シミュレーションの計算速度が大幅に向上した。
(2)液滴の多孔体透過挙動の観察実験:粒子充填層内の二相流体透過実験を行った。直接観察用セルとしてガラスビーズを中央部に充填した擬2次元セルを作製し、着色した液体が透過する様子を光学顕微鏡によって観察した。二相流体の透過プロセスにおいて、固体表面のぬれ性が透過挙動に及ぼす影響を明らかにした。また、本検討を行う中で、多孔体を形成する粒子のぬれ性を二相流体を透過させるのに必要な圧力から評価する方法を開発した。本技術はコアレッサーとして用いる種々の多孔体のぬれ性評価にも利用できる可能性がある。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

数値シミュレーションモデルの開発においては、昨年度構築したモデルをさらに改良することで計算の高速化に成功した。しかし、多孔体内の液滴透過挙動を直接観察するための実験システムの構築に予定以上の時間を要したため、実験結果との比較による数値シミュレーションモデルの妥当性検証が十分には行えなかった。以上の状況を総合的に評価して「やや遅れている」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究で開発した油水二相流体の多孔体透過シミュレーション技術の妥当性を検証する。粒子充填層内の液滴透過挙動について計算結果と直接観察結果を比較し、特に液滴の変形挙動や固体表面上でのぬれ現象を正しく表現できていることを確認する。シミュレーション技術の妥当性の検証が完了した後は、界面活性剤を含むO/Wエマルションの多孔体透過シミュレーションを行う。油滴サイズや界面張力、粘度といった処理対象液の物性、界面活性剤の種類、多孔体のぬれ性や細孔径、操作条件などの中から重要な因子を特定し、それらと形成される油滴サイズ(分離効率)との定量的な関係を明らかにする。

Report

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

    (13 results)

All 2023 2022

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Numerical Simulations of Particle Suspensions under Shear Flow Using a Combined Lattice Boltzmann and Discrete Element Method2023

    • Author(s)
      三野泰志、田中葉月、中曽浩一、後藤邦彰
    • Journal Title

      Journal of the Society of Powder Technology, Japan

      Volume: 60 Issue: 10 Pages: 607-612

    • DOI

      10.4164/sptj.60.607

    • ISSN
      0386-6157, 1883-7239
    • Year and Date
      2023-10-10
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] コロイド分散系の膜分離に関する数値シミュレーション2023

    • Author(s)
      三野泰志
    • Journal Title

      分離技術

      Volume: 53 Pages: 375-381

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Computational Methods for Simulating Dynamics of Particles at Fluid–Fluid Interface2022

    • Author(s)
      三野 泰志、田中 葉月、田中 千賀
    • Journal Title

      Journal of the Society of Powder Technology, Japan

      Volume: 59 Issue: 9 Pages: 446-454

    • DOI

      10.4164/sptj.59.446

    • ISSN
      0386-6157, 1883-7239
    • Year and Date
      2022-09-10
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Lattice Boltzmann simulations of droplet permeation through membranes2023

    • Author(s)
      Yasushi Mino, Ayano Hasegawa, Toru Ishigami, Hideto Matsuyama
    • Organizer
      The 11th International Conference on Multiphase Flow
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 異径粒子充填層の空気透過における不均一構造の影響2023

    • Author(s)
      三野泰志、田中千奈美、中曽浩一、後藤邦彰
    • Organizer
      粉体工学会2023年度春期研究発表会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 格子ボルツマン法と離散要素法の連成モデルによる粒子懸濁液のせん断流れシミュレーション2023

    • Author(s)
      三野泰志、田中葉月、中曽浩一、後藤邦彰
    • Organizer
      日本混相流学会混相流シンポジウム2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 毛管圧力測定に基づく粒子のぬれ性評価手法の検討2023

    • Author(s)
      井上弘基、三野泰志、中曽浩一、後藤邦彰
    • Organizer
      粉体工学会2023年度秋期研究発表会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 格子ボルツマン法による粒子分散系の流れシミュレーション2023

    • Author(s)
      三野泰志
    • Organizer
      粉体工学会2023年第1回ソフト粒子・界面研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 毛管相互作用による粒子分散液の流動性変化に関する数値シミュレーション2022

    • Author(s)
      三野 泰志、中曽 浩一、後藤 邦彰
    • Organizer
      日本食品工学会第23回(2022年度)年次大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 粒子懸濁液の乾燥過程において粒子表面特性が配列構造に及ぼす影響2022

    • Author(s)
      田中 千賀、三野 泰志、中曽 浩一、後藤 邦彰
    • Organizer
      化学工学会第53回秋季大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 粒子懸濁液の乾燥による粒子配列過程の数値解析2022

    • Author(s)
      田中 千賀、三野 泰志、中曽 浩一、後藤 邦彰
    • Organizer
      化学工学会岡山大会2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 粒子懸濁液のせん断流れに関する格子ボルツマンシミュレーション2022

    • Author(s)
      三野 泰志、田中 葉月、中曽 浩一、後藤 邦彰
    • Organizer
      化学工学会第88年会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Book] エマルションの安定化のための新しい調製技術と評価2022

    • Author(s)
      執筆者:59名、技術情報協会
    • Total Pages
      714
    • Publisher
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861049002
    • Related Report
      2022 Research-status Report

URL: 

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

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