2018 Fiscal Year Annual Research Report
Multiscale modeling and simulation for complex fluids with memory effects
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16K17554
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
安田 修悟 兵庫県立大学, シミュレーション学研究科, 准教授 (70456797)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | マルチスケール / 複雑流体 / 生物流体 / 運動論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高分子液体の熱潤滑問題と走化性細菌（化学物質の濃度変化に応じて運動する）の構造形成問題の二つを具体の対象とし、それぞれの問題に対して有効な新しいシミュレーション手法の開発と、記憶効果という観点からそれぞれの問題に潜むマルチスケール機構の解明に取り組んだ。
高分子液体の熱流動問題では、独自開発した分子動力学法と流体計算力学を相互接続させる新しいマルチスケール法を用いて、長い直鎖状高分子液体の高速潤滑の振る舞いを解析し、高速流動による粘性発熱と高分子鎖の遅い絡み合い運動の結合によって、外部駆動力に対して複雑な非線形時空間応答が生じることを明らかにした。
また、走化性細菌の構造形成問題では、走化性細菌の集団挙動を記述するボルツマン型輸送方程式に基づく新しい確率的数値解法（モンテカルロ法）を独自開発し、細菌の個体レベルでの化学物質の濃度変化に対する時間応答特性と集団レベルでの構造形成との間のマルチスケール機構を解析した。モンテカルロ法による数値的な解析に加えて、ボルツマン型輸送方程式の線形不安定性解析や漸近解析を行い、走化性細菌の構造形成における数理的な階層性の一部も明らかにした。
これら二つの問題において、その複雑な非線形現象を解明する上で記憶効果が重要であることは、理論的にも数値的にも明らかになった。しかし、二つの問題には、決定的に重要な違いがあることも明らかになった。即ち、高分子液体では、外部熱流動によって高分子鎖の構造が受動的に変化するのに対して、走化性細菌では走化性応答の鋭さによって周りの環境を能動的に変化させながら複雑な集団レベルでの構造を形成する点である。実際に、走化性細菌の応答の鋭さが集団の構造形成において重要な因子であることが明らかにされており、このような違いを明確に示したことで、今後の研究の新しい方向性も明確にできたことに本研究の重要性がある。
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