2017 Fiscal Year Annual Research Report
Multi-scale/multi-physics modeling for particle/fluid coupling system and its applications
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17H01083
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
山本 量一 京都大学, 工学研究科, 教授 (10263401)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 混相流 / シミュレーション / コロイド / 流体力学 / ソフトマター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ソフトマターは機能性材料の宝庫であるが，その複雑なマルチスケール性のため，分子動力学法や計算流体力学法など既存のシミュレーション法単独での適用が困難である．本研究では，後述する具体的な研究項目に対して，ミクロ階層を統計力学的手法によってメソ・マクロ階層に効率よく反映する粗視化モデリングや，同様のことを数値的に反映するマルチスケール・マルチフィジックスモデリングを適用することで，この問題の解決に取り組んでいる．さらに，最新の計算機（GPGPUや次世代スパコン等）を併用することにより，この技術を工学的応用問題に展開し，計算科学による次世代の材料・プロセス設計技術として広く一般化を目指している．申請段階で想定した以下の３つの研究項目について，平成２９年度はそれぞれ以下の成果を得ることに成功した．
研究項目１．ナノ微粒子分散系のダイナミクス：相分離した２成分液体中で重力沈降するナノ粒子系に対して，マルチスケール・マルチフィジックスのモデリング手法を適用し，これまで出来なかった３次元系における詳細な挙動のシミュレーションに成功した．
研究項目２．１）コロイドガラス系のダイナミクス：大規模系計算の実現に向けて，コロイド分散系の直接数値計算手法の高速化に取り組んだ．２）多細胞系の遊走運動に見られるガラス化現象のモデリングに取り組んだ．
研究項目３．アクティブ粒子系のダイナミクス：１）流体を介して相互作用する外力駆動粒子系に対して粒子／流体連成系として扱う直接数値計算を行い，非自明な周期運動が発現する機構を解明した．２）泳動する微粒子対の２対衝突に対して系統的な直接数値計算を実施し，泳動形態の違いによって著しく非対称な衝突挙動が得られることを示した．３）細胞が基板上を遊走する機構を解明すべく，２つの円盤からなる最小モデルを構築し，細胞が自己の伸縮運動から推進運動を生み出す機構を調べた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
シミュレーション技術から見たソフトマターの特殊性は，そのほとんどがマルチスケール・マルチフィジックスの連成系となっていることにある．例えば，高分子系では巨大分子間にからみあいが発生するために，系のダイナミクスは分子スケールから流体スケールまで著しく広く分布する．コロイドも同様で，周囲の流体やイオン雰囲気による長距離相互作用のために，非常に遅いダイナミクスが系の性質を決定する．このような広い時空間スケールを通常の分子シミュレーションや流体シミュレーションで扱うことは出来ないので，ソフトマター分野では，他の分野に先駆けて粗視化モデリングが発展した．しかしこれまでの粗視化モデリングでは，系の普遍的な挙動にのみ重点が置かれるあまり，物質の個性は非常に大ざっぱなパラメーターに押し込められており，物質のミクロな情報からそのパラメーターを決める処方箋がなかった．
本研究で挙げた具体的研究項目は，いすれもソフトマター材料自身，あるいはソフトマター材料と外部との連携で，マルチスケール・マルチフィジックスの連成系となる難しい問題を含んであり，有効なシミュレーションを行うためにはその系のミクロな自由度／メソスケールの自由度／マクロな自由度間の関係を正しく理解し，定式化することが必要である．非常に意欲的な研究提案であるにもかかわらず，すでにいくつかのモデリングにも成功して成果も出はじめていることから，本研究は十分順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画では，平成29年度は研究項目１を優先して実施し，平成30年度以降に研究項目２，３に本格的に取り組む予定であった．しかし，平成29年度に研究項目３が予想以上に進展したため，この部分について優先的に実施することにした．各研究項目は相互に関連しつつもほぼ独立して実施することが可能であるため，必ずしも計画通りの順序で進める必要はないが，現時点で想定している推進方策は以下のとおりである．
研究項目１．ナノ微粒子分散系のダイナミクス：多成分混相流のマルチスケール・マルチフィジックスモデリングに取り組む．濃厚ナノ粒子分散系のレオロジー特性の評価については，研究項目２と密接に関連している．
研究項目２．１）コロイドガラス系のダイナミクス：大規模系計算の実現に向けて，引き続きコロイド分散系の直接数値計算手法の高速化に取り組む．高並列計算機に対応したシミュレーションコードの作成を目指している．２）混雑した環境下における細胞の遊走運動に加え，細胞分裂による増殖も考慮したモデリングに取り組む．
研究項目３．アクティブ粒子系のダイナミクス：泳動粒子について，これまで考慮されてこなかった回転運動をあらわに考慮した直接数値計算を実現する．
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