2016 Fiscal Year Annual Research Report
A Challenging Study for Development of Theory of Transport Phenomena in Mesoscale Space
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15K14202
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
岡野 泰則 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90204007)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 一憲 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (70402500)
重田 育照 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (80376483)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノスケール / 数値解析 / 分子動力学 / 数値流体力学 / マランゴニ対流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年デバイスの小型化が進み、燃料電池など微小領域での流れ制御が求められている。小型燃料電池のように空間スケールが数百nm程度の微小領域では実験的な観測が難しく、数値解析を用いた現象の理解が有用である。しかし、従来の数値流体力学(CFD)や分子動力学(MD)は、それぞれ、連続体近似の破綻、莫大な計算負荷の観点から、このスケールでは適用できない。そこでこの空間スケールにおける流動現象解明の第一段階として、MDとCFDの結果の比較を行った。微小スケールにおいて顕著に現れる濃度差マランゴニ対流について着目し、両者の流れ場を比較し、その差を生み出した一因とされる微小スケールでの界面幅について解析を行った。水・メタノール・アルゴンを用いた気液界面を有する三相系に対してMDおよびCFDシミュレーションを行った。メタノールを両端に、水を中央に配置した厚さ5 nmの液膜で解析を行った。MD計算では温度制御法としてNose-Hoover法、境界条件としては三次元周期的境界条件を適用した。運動方程式の積分方法には速度Verlet法を使用し、時間刻みは2 fsと設定した。CFD計算ではNavier-Stokes式、連続式、拡散方程式を解いた。混相流の解析手法としてS-CLSVOF法を用いた。MD、CFDの両シミュレーションにおいて液膜の変形が起こり、その後液膜内での渦の発達が確認できた。しかし、30 ps時の流れを比較するとMDシミュレーションでは渦が発達したが、CFDシミュレーションではまだ液膜変形の段階にあることがわかる。MD、CFDの両シミュレーションにおいて液膜の変形が起こり、その後液膜内での渦の発達が確認できた。しかし、30 ps時の流れを比較するとMDシミュレーションでは渦が発達したが、CFDシミュレーションではまだ液膜変形の段階にあることがわかる。これはCFDでは界面幅が線として表現されるため、MDにおけるこのような不均一な界面幅がCFDとMDの流れ場の違いに影響していると考えられる。
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