2017 Fiscal Year Research-status Report

気泡核群のサイズ分布形成過程に対する大規模MD解析

Research Project

Project/Area Number	16K06085
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	津田伸一九州大学, 工学研究院, 准教授 (00466244)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	キャビテーション / 気泡核 / 時間スケーリング / 蒸発/凝縮 / 単成分系 / 多成分系
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は，ポンプや水車に代表される水力機械等でしばしば発生して問題となる，液体から気体への相変化を伴う流動現象（キャビテーション）について，その初期段階における非常に小さな気泡群（気泡核群）のサイズ分布形成過程を支配する物理法則を，分子スケールの数値シミュレーションと理論解析によって明らかにすることである．昨年度までの研究では，分子動力学シミュレーションによって模擬された気泡核群の代表長さ（平均気泡核径）が時間の0.5乗に概ね比例した変化を示すこと，かつ，この特徴は計算サイズの大きさにほぼ依存することなく成立することを確認した．また，代表長さが時間の0.5乗に比例するという特性（時間スケーリング則）は，気泡核表面の蒸発/凝縮が律速すると仮定したマクロなモデルによって説明できることが示唆された．しかしながら，蒸発/凝縮以外のメカニズムが存在する可能性も十分に残されていたため，本年度はこの点の詳細な検討を行った．その結果，大きな気泡核の時間変化は気液表面の蒸発/凝縮に律速されるのに対して，小さな気泡核の時間変化は，気液界面の力学非平衡に支配されることがわかった．すなわち，気泡核径によって支配的な物理因子が異なることを明らかにした．また，既往の研究で用いられてきた平均気泡核径の定義よりも，気泡核体積と気泡核表面積の比として定義される平均気泡核径（ザウター平均と呼ばれる量）の方が時間の0.5乗に則ったスケーリング則をより明快に示すこと，また，このことは大きな気泡核が蒸発/凝縮に律速されるという物理と非常によく整合することがわかった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は，不純物を含まない単成分系液体中における気泡核群のサイズ分布形成に反映されている物理法則を詳細に解明する予定であった．研究実績の概要にも示した通り，この点については概ね達成できたと考えられる．また，不純物に相当する物質が混入している多成分系液体についても同様の解析を始める予定であったが，こちらも本格的な大規模計算に向けた準備段階としての予備計算はほぼ完了している．すなわち，本計算に速やかに着手できる状況となっており，概ね順調に進展している状況である．
Strategy for Future Research Activity	不純物を含んだ多成分系液体中における気泡核群の形成過程の大規模分子動力学シミュレーションを本格的に実施し，不純物が時間スケーリング則に及ぼす影響の主要因子を抽出する．方法論は単成分系の解析で概ね確立しているため，これに準拠して進める予定である．
Causes of Carryover	次年度使用額が生じたいのは，物品費として購入した計算機が，当初予定よりも少額で購入できたためである．次年度は，この分も含めて研究成果報告費（主に学会等参加費）に充てる予定である．