2019 Fiscal Year Annual Research Report
分子間エネルギー輸送機構に基づく，相変化を伴う複雑な流体－固体界面熱輸送の設計
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18H01382
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
芝原 正彦 大阪大学, 工学研究科, 教授 (40294045)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
植木 祥高 大阪大学, 工学研究科, 助教 (50731957)
藤原 邦夫 大阪大学, 工学研究科, 助教 (60800852)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 界面 / エネルギー輸送 / 分子動力学 / 相変化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，次項１，２を研究目的として研究を実施した．
１．分子間エネルギー輸送機構に基づき熱流を直接可視化することで，相変化を伴う複雑な流体－固体界面における熱輸送現象を高時空間分解して解明する．
２．得られた知見に基づき，表面構造や界面材質までを含んだ最適な流体－固体界面を原理的に設計するための方法論を確立する．前述の目的を達成するために，２０１９年度は実験と数値シミュレーションを並行して実施したので，以下に概略を示す．
(実験)界面微細構造が流体－固体界面における巨視的な熱輸送特性へ与える影響の評価： まず，水蒸気の凝縮過程への界面微細構造特性の影響を測定できる実験装置系を構築するとともに，さまざまな微細構造を有する伝熱面を作製した．次に，界面微細構造特性，特にナノ構造の間隔をパラメータとして，その濡れ性ならびに巨視的な熱伝達率計測を行った．本研究において得られたナノ構造特性と濡れ性の関係ならびに熱伝達率の関係は先行研究と比較して妥当であることを確認した．
(数値シミュレーション)界面微細構造が分子間エネルギー輸送機構ならびに流体－固体界面熱輸送に及ぼす影響の評価：数値シミュレーションでは，凝縮実験の条件に対応した水分子を用いた凝縮現象をシミュレート可能な大規模計算モデルを作成した．次に，非平衡分子動力学シミュレーションを行って，非定常状態の凝縮時の界面熱抵抗を計測し，界面の濡れ性や先行研究に対して妥当な計算結果であることを確認した．
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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
本研究では，分子間エネルギー輸送機構に基づき熱流を直接可視化することで，相変化を伴う複雑な流体－固体界面における熱輸送現象を高時空間分解して解明することを研究目的としているが，２０１９年度において，構築した実験系において先行研究と同様の熱伝達率が得られていることや，水分子モデルを用いた分子動力学シミュレーション系の構築ならびに熱抵抗の計算と検証が終了しており，おおむね順調に進展していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
２０１９年度において，検証された実験系や水分子モデルを用いた分子動力学シミュレーション系を用いて，凝縮時における微細構造が局所的な界面熱輸送に与える影響を，実験ならびに分子動力学シミュレーションを用いて明らかにしていく．そのために，今後は以下の研究計画を考えている．
(実験)界面微細構造が流体－固体界面における巨視的な熱輸送特性へ与える影響の評価:
実験では，界面微細構造特性（構造間隔，濡れ性）をパラメータとして，巨視的な熱伝達率や界面熱抵抗の計測を行うことを予定している．
そのために，水蒸気の凝縮過程への界面微細構造特性の影響を測定できる実験装置系を構築し，実際に計測を行う．また，さまざまな微細構造を有する伝熱面を作製方法を確立する．
(シミュレーション)界面微細構造が分子間エネルギー輸送機構の時間変化ならびに流体－固体界面局所熱輸送に及ぼす影響の評価:数値解析では，実験条件に対応した表面微細構造伝熱面を用いた水分子系の凝縮現象をシミュレート可能な大規模計算モデルを作成し，非平衡分子動力学シミュレーションを行って，非定常状態の凝縮時の局所界面熱抵抗の時間変化を計測する．
以上のことより，シミュレーションによって得られた時空間平均化された界面熱抵抗値を実験結果の傾向と比較して結果の妥当性を検証し，その後，シミュレーション結果を用いて界面微細構造特性が時空間分解された界面熱抵抗に及ぼす影響について明らかにする．
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