2019 Fiscal Year Research-status Report
Development and Application of Rational Extended Thermodynamics of Dense Gases and Liquids
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18K13471
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| Research Institution | Tomakomai National College of Technology |
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Principal Investigator |
有馬 隆司 苫小牧工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (80735069)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 拡張された熱力学 / 実在気体 / 非平衡熱力学 / 非平衡圧力 / van der Waals気体 / 特性速度 / 分子内部自由度緩和 / 分散関係 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実在気体の動的挙動を記述する拡張された熱力学理論の構築を進めた。昨年度までは、実在気体一般を対象に、内部自由度間のエネルギー交換過程に起因する非平衡現象に対する理論構築を目指していたが、気体の種類（多原子分子気体か単原子分子気体）と質量密度領域に応じてエネルギー交換過程を記述するモデルを分類する必要性が明らかになった。そこで、まずは次の2つの理論を構築した。
1)多原子分子気体に対しては、分子の並進モードとポテンシャルモードが一体とみなせるような比較的低密度領域に適用可能な理論の構築に成功し、分子の回転・振動自由度由来の体積粘性率を導出した。さらに、超音波の分散関係を解析し、体積粘性率が大きな気体に対し、新しく提案した理論が実験事実を再現できることを示した。これらの結果をまとめ、論文を出版した。
2)単原子分子実在気体に対して、分子間ポテンシャルに関連するエネルギー緩和を記述する理論を考案した。昨年度の研究で導出した非平衡圧力の形式的な表現において、多原子分子気体理論と整合する非平衡状態のエントロピーを導入することで、その具体的な表式を導出した。得られた閉じた場の時間発展方程式系から、長年の議論の的である単原子分子気体の体積粘性率に対して、緩和時間を用いた表現を得た。この理論は広い密度領域に適用できる。現在、この結果を論文として投稿するための準備をしている。
また、拡張された熱力学理論の特性速度における実在気体効果の検証も行った。特性速度は波動伝播を特徴づけ、例えば、超音波の分散関係における高周波極限値の決定やsub-shockを形成するマッハ数の決定に関係する。van der Waals気体を対象とした解析を行い、特性速度の平衡状態のものとの比の下限が希薄気体極限の値で、上限がスピノーダル曲線上の値で与えられることを証明した。この成果をまとめた論文の出版が決定している。
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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
当初想定していた分子の回転や振動自由度の緩和といった多原子分子気体特有の非平衡現象だけではなく、単原子分子実在気体中の緩和現象を記述できる理論も構成することに成功した。一方、本研究課題の一つである拡張された熱力学を用いた波動伝播解析に対しては線形波動の解析が進んでいるが、現在までで進んでいるのは、当初予定していた非平衡領域よりも弱い、粘性・熱伝導の効果が小さい領域での解析に留まっている。ただし、波動伝播解析に必要な特性速度に対して、その実在気体効果の検証が進んでいる。以上の理由から、おおむね順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、現在までで構築した理論を基に、高密度領域の多原子分子実在気体に適用できる拡張された熱力学理論の構築を目指す。具体的には、2019年度に構築した低密度領域の多原子分子気体理論と単原子分子実在気体一般の理論に対して、エントロピー原理を満たしながら対象とするバランス方程式系のサブシステムを求めるprincipal subsystemの方法を用いることで、内部エネルギー交換過程を適切に記述する熱力学モデルを構築する。このモデルに拡張された熱力学の構成理論を適用することで、閉じた場の方程式系の導出を行う。また、提案した理論を用いて非線形波動の研究を進める。まずは、ノズル流れの数値解析を行い、内部エネルギー緩和に起因する従来の理論との差異を明確にする。また、sub-shockを含む衝撃波伝播の解析を行い、粘性・熱伝導による薄い波面構造と内部エネルギー緩和による厚い波面構造について詳しく調べる。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は、年度末に予定していた研究打ち合わせ（イタリア、ロシア）が、新型コロナウイルス感染症の影響により中止になったためである。
次年度使用額は、研究打ち合わせのための旅費（イタリア、ロシア、国内）、研究成果発表旅費（韓国、国内）、計算機環境整備費に使用する予定である。
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