2016 Fiscal Year Annual Research Report
Non-equilibrium molecular dynamics analysis for evaporation of water including non-condensable gases
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15K21583
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| Research Institution | Gunma National College of Technology |
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Principal Investigator |
矢口 久雄 群馬工業高等専門学校, 機械工学科, 講師 (20568521)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 蒸発係数 / 分子動力学 / 気液界面 / 表面吸着 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，不凝縮性気体を含む２成分系において気液界面での蒸発・凝縮及び界面吸着の動的過程を分子動力学シミュレーションにより数値解析し，不凝縮気体の界面吸着量が蒸発係数ならびに速度分布関数に及ぼす影響について解明することを目的として遂行された．GPGPUを用いた多成分系分子動力学プログラムを開発し，気液二相系に不凝縮性気体を混入させた平衡状態についてシミュレーションを実行した．その結果，不凝縮性気体の混合比率が高くなるにつれて，表面吸着量は大きくなり，密度遷移層の厚さも大きくなることが確認された．また，気相側に真空境界条件を適用して真空蒸発シミュレーションを実行することで蒸発係数の評価を行った結果，不凝縮性気体の混合比率が大きいほど蒸発係数は小さくなることを明らかにすることができた．このときの蒸発分子の速度分布関数は，表面吸着量が増えるにつれて，半マクスウェル分布との差異が大きくなった．一方，新たに導入したソフトウェアを用いた分子モデルの比較では，飽和蒸気密度については従来の水分子モデル（TIP3P及びTIP4P）が実験値に近い値を再現し，液相密度については6サイトモデルが実験値に近い値を再現することを確認した．これらの主要な結果に加えて，より応用的な観点から，蒸発速度に関する基本法則である液滴のD2乗則について，ナノスケールの極めて小さな液滴においても液滴直径Dの2乗は時間に対して直線的に減少することを明らかにした．さらに，ファインバブルのふるまいに関する基礎的な検討として，ナノスケール気泡が安定的に存在するための気相と液相の状態を定量的に評価し，Kelvin効果と考えられる飽和蒸気密度の低下を確認した．
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