2006 Fiscal Year Annual Research Report
フェーズフィールドモデルに基づくマイクロ流路内二相流の界面追跡計算法の開発
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18760134
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
高田 尚樹 独立行政法人産業技術総合研究所, 先進製造プロセス研究部門, 研究員 (60357358)
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 流体工学 / 混相流 / 濡れ性 / 数値流体力学 / 接触角 / 気液二相流 / 自由エネルギー |
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| Research Abstract |
化学反応と物質混合分離の新しいプロセスを実現するツールとして近年注目されるマイクロリアクターの効率的な最適化には、1〜数百ミクロン幅のマイクロ流路内の気体-液体や液体-液体の接触面(界面)を含む二相流現象を詳細に予測できる数値計算技術が必要不可欠である。そこで本研究では、従来法よりも高精度の界面捕捉・追跡能力、高い数値安定性と計算効率に加えて、従来法と同等の解析要求への柔軟な対応性を備えた、マイクロ流路内の二相流問題に適用可能な新しい界面追跡計算法の開発を目的とする。
本研究を開始する本年度には、主要設備として購入した計算機を使用し、本研究者が提案している高密度比二相流のフェーズフィールド法と、格子ボルツマン法に関する研究成果を基盤として開発を進め、以下の成果を得た。
1.本計算法の界面追跡精度を定量評価するための数値実験を実施し、開発した離散化スキームが誤差1%以内の高精度の体積保存を実現することを確認した。
2.高密度比の気体・液体と流路固体壁表面との接触性(濡れ性)を考慮した境界条件を、自由エネルギー理論に基づいて提案した。
3.濡れ性境界条件を組み込んだ二相流界面追跡計算法と計算コードを開発し、高密度比条件下の数値安定性と、液体の静的接触角を簡素な自由エネルギーパラメータによって容易かつ任意に設定できることを確認した。
4.本計算法による、濡れ性が不均一な固体境界を伴う密度比約800(空気-水相当)の二相流の基礎的数値実験で、次の結果を得た。
(1)矩形流路内では、気液界面の移動は親水性の流路壁面上で瞬時局所的に加速され、表面張力が増加するにつれて流れ場全体が加速されるとともに、界面近傍で局所的な循環流れが誘起される。
(2)液滴は毛細管力の差によって撥水性固体面から親水性固体面へ移動し、その速度は撥水面と親水面の接触角度差と表面張力の強さに比例する。
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