2020 Fiscal Year Annual Research Report
Multiscale Simulations on Complex Flows in Polymer/Surfactant Systems
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19H01858
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
川勝 年洋 東北大学, 理学研究科, 教授 (20214596)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
今井 正幸 東北大学, 理学研究科, 教授 (60251485)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | マルチスケールシミュレーション / ソフトマター流動 / 流体粒子法 / べシクル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ソフトマター系の混相流動の代表的な例として、界面活性剤膜の作る小胞（ベシクル）の集団が細孔内で流動する血流や、フィラー等の分散粒子を含む高分子流体などがあげられる。これらの系の示す非線形の粘弾性特性や弾塑性特性をマルチスケールシミュレーションの観点から解明することが本研究の目的である。この目的のために、マクロな流動のスケールと、分散粒子の持つメゾスケールの構造と運動を同時に解くことのできるシミュレーション技法を開発し、ソフトマター混相流に応用することで、異なる階層間で発現する機能性の協奏、すなわち「マルチファンクショナルの物理現象」について調べることのできる方法論の確立を目指した。
界面活性剤膜の作るべシクルを含む流動計算には、べシクル全体の大きさに比べ十分薄い膜面を定義し、その膜面に生じる変形の履歴に依存したマクロ流動を計算する必要がある。我々は、マクロな流動解析には流体粒子法（SPH法)を用い、この流体粒子上で膜面をあらわす流体粒子と溶媒を表す流体粒子を色分けする（いわゆるフェーズフィールドに相当）ことでべシクルの膜面を表現した。膜の変形履歴に由来する応力は、膜面に相当する流体粒子にミクロな粘弾性要素（分子モデル）を埋め込むことで表現した。このような方法を用いて、流体粒子内部にミクロ構造を取り入れつつ、マルチスケール性由来の履歴現象をともなった界面の運動を追跡することに成功し、外部流動による膜の変形のシミュレーションを実現することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初予定したシミュレーションの規模では、目的とする混相流動を表現するにはシステムサイズが足りないことが判明したため、研究計画を一部翌年度（２０２１年度）に繰り越すことで、より大規模な系がシミュレーションできるようにプログラムの高度な並列化を図った。この結果、本年の実施計画で一番困難と思われる安定な膜を生成する部分に関しては、流体粒子法で記述されたマクロ流動を構成する各流体粒子を、膜面に相当する粒子と溶媒に相当する粒子に色分けすることで実現することができた。さらに、溶媒の流動の膜面上での境界条件を正しく設定することで、流体中を運動するべシクルを正確にシミュレートする方法論が確立できた。これにより、当初計画された内容を実現することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、膜構造を分散粒子として含む流体の流動シミュレーションの一般的な枠組みの構築がほぼ完成したので、２０２２年度（最終年度）には、このシミュレーションプログラムを用いて、流動による膜の変形と分裂等の膜のトポロジー変化をシミュレートすることを目指す。
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