2020 Fiscal Year Research-status Report
Formulation of Numerical Flow Analysis System for Floc-Forming Fluids Based on Population Balance Equations
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19K04199
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| Research Institution | Osaka Electro-Communication University |
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Principal Investigator |
山本 剛宏 大阪電気通信大学, 工学部, 教授 (40252621)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 複雑流体 / ポピュレーションバランス方程式 / フロック / 構成モデル / 数値流体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フロック形成流体のひとつであるセルロースナノファイバー懸濁液を想定し，フロックサイズ分布の時間変化をポピュレーションバランス方程式で計算し，その結果を用いて，粘度のフロック有効体積分率依存性をKrieger-Doughertyモデルで表現し，さらに，White-Metzner型の粘弾性構成方程式の粘度関数および緩和時間関数にフロック有効体積分立の影響を取り入れることで，フロック形成流体の粘弾性モデルを構築した.本モデルでは，弾性率をフロック有効体積分率の関数として，べき乗則モデルで表現し，緩和時間のフロックサイズ分布依存性を取り入れることが可能となった.そして，フロック有効体積分率関数のパラメータで，フロック形状に大きく関係するフラクタル次元がモデルのレオロジー特性に与える影響について解析を行い，フラクタル次元が小さいほどフロックサイズは大きくなり，粘度のシアシニング性が強く現れ，さらに第１法線応力差が大きくなることを明らかにした．そして，フラクタル次元を調整することでフロック成長現象を制御することが可能であることがわかった．さらに，本モデルの複雑な流れ場の解析への適用性を調べるために，本モデルを構成モデルとして使用したフロック形成流体のHele-Shaw流れの有限要素法解析プログラムを作成した．そして，障害物を有する長方形流路内の流れについて予備計算を実施し，流れ場とフロックサイズ分布の関係を解析することが可能であることがわかった．
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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
2020年度は，前年度に開発したポピュレーションバランス方程式を基盤としたフロック形成流体の粘弾性構成モデルについて，フロック有効体積分率関数のパラメータであるフラクタル次元のレオロジー特性への影響を解析し，フラクタル次元の調整によりフロック成長をコントロールできることを明らかにした．前年度の成果と併せて，本モデルの特性の解析がほぼ完了した．そして，研究成果の学術雑誌への投稿および論文採択に至っている. また，本モデルの複雑な流れ場への適用のために，Hele-Shaw流れの解析用の有限要素法流動解析プログラムを作成した．そして，予備計算を行い，流れ場とフロックサイズ分布の関係を解析することが可能であることを確認し，2021年度の本計算への準備ができた．以上により，本研究はおおむね順調に進んでいるものと判断される.
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は，提案の構成モデルを使用したフロック形成流体のHele-Shaw流れの数値解析を行い，流れ場とフロックサイズ分布の関係を解析する．特に，セルロースナノフィバー懸濁液を原料とした成形加工を想定したモデル流路内の流動解析を進める．さらに，提案のモデルを用いた数値流動解析の際の適用範囲，選択指針をまとめるためのデータを蓄積していく.
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響により，参加予定であった国内学会・国際会議が中止またはオンライン開催となり，計上していた旅費の執行がなくなったため，次年度使用額が生じた．
本年度に繰り越した予算は，今年度に購入を予定する解析用コンピュータの台数を増やすまたは性能のアップグレードとそれに合わせた解析用ソフトウェアの購入に充てることにより，研究効率の向上のために使用する．
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