水の気液界面物質伝達機構の分子動力学解析と毛細管実験による検証

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11650228
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 鶴田 隆治 九州工業大学, 工学部, 教授 (30172068)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷川 洋文 九州工業大学, 工学部, 助手 (80197524)
• Keywords: 気液界面 / 物質伝達 / 凝縮係数 / 水分子 / 分子動力学 / 分子交換 / 非平衡蒸発 / 蒸発係数

Research Abstract

工学的にも重要な物質である水について,その気液界面における蒸気分子と液面分子との相互作用,つまり蒸気分子の凝縮・反射特性を解明するため,分子動力学法を用いた数値解析を行った.また,非定常の蒸発実験を計画し,界面物質伝達に関する予備的なデータを収集した.
まず,分子動力学シミュレーションでは,C-Cポテンシャル及びSPC/Eポテンシャルの二種類の分子間ポテンシャルモデルを用い,異なる構造を持つ界面を準備した.これに,蒸気分子の並進と回転のエネルギーを設定したテスト分子を投入して,その凝縮と反射の確率を統計的に求め,各エネルギー状態との関連を整理した.
その結果,水の凝縮確率もアルゴンのような単原子分子と同様,並進運動エネルギーとともに凝縮確率が増加する傾向を示すが,その値はもともと1にかなり近い値であり,回転運動による顕著な差も確認されなかった.また,二種類の界面構造に対する差も小さく,ともに潜熱に対応するポテンシャルエネルギー差が大きいため,液面に捕らえられる確率が高く,多くの入射分子は凝縮することがわかった.
一方,凝縮係数をみかけ上小さくする原因とされている分子交換現象についても,入射分子の回転運動による若干の増加がみられるものの,その絶対数はかなり少なく,凝縮係数を1より有為に低下させる原因とは言えないと判断される.
なお,シミュレーションによる結果を検証するため,非平衡蒸発による蒸気相の圧力変化から界面での物質伝達率を測定する実験を開始しているが,これによって評価される水の凝縮係数は1より小さい値となっている.精度の面で改善すべき点もあるが,依然,理論的値との差があるように思われるため,既存の関係式の見直しを含めて検討を進めていく予定である.

Research Products

• [Publications] 間手野 久: "水の気液界面相互作用の分子動力学的研究"日本機械学会第12回計算力学講演会講演論文集. 121-122 (1999)
• [Publications] 長山 暁子: "凝縮係数に関する分子動力学と遷移状態説理論"日本機械学会第12回計算力学講演会講演論文集. 123-124 (1999)
• [Publications] 鶴田 隆治: "Non-Equilibrium Mass Transfer at Liquid-Vapor Interface"Proc.of Symposium on Energy Engineering in the 21st Century(SEE2000). 2. 672-679 (2000)