2021 Fiscal Year Annual Research 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 | ポピュレーションバランス方程式 / フロック / 構成モデル / 複雑流体 / 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について，フロックサイズ分布の効果を考慮した流動解析のための構成モデルの開発を行った．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，非ニュートン粘性モデルを作成した．そして，この粘性モデルをWhite-Metzner型の粘弾性構成方程式の粘度関数に取り込み，さらに，弾性係数関数にフロック有効体積分率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.本モデルについて，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，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を示した．また，弾性係数をフロック有効体積分率の関数とすることで，流体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り，緩和時間を一定にした場合と，スタートアップせん断流れの流動初期における第1法線応力差の成長挙動に違いが見られることが分かった.続いて，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構成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，2次元合流流路内流れの数値計算を行った．そして，非ニュートン粘性モデルを用いた計算で，フロック有効体積分率分布の解析を行い，合流部付近でフロックサイズが大きく変化する現象が予測されるなど本解析手法の有用性を示した．
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