2019 Fiscal Year Research-status Report
気液液固四相流の数値解析を用いた液架橋による乾燥粒子薄膜のクラック抑制機構の解明
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19K05122
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
石神 徹 広島大学, 工学研究科, 准教授 (70595850)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | phase field model / 数値シミュレーション / 四相流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は主に気体-液体（水相）-液体（油相）-固体粒子からなる四相流れのシミュレーションモデルの開発を行った。気体-液体-液体三相間の自由界面流れの記述には，フェーズフィールドモデルを用いた。また流体運動は，非圧縮性流体の数値流体力学手法を用いた。従来これらは主に二相系流れに用いられてきたが，本研究では液体三相を取り扱うため，これに応じてフェーズフィールドモデルにおける各相の識別方法，ならびに流体の運動方程式における界面張力や接触角のモデル等に修正を加えた。固体粒子の運動には，固体粒子の標準計算手法である離散要素法を用いた。固体粒子と上記の流体三相系流れとの連成に，埋め込み境界法を用いることにより，相互に連成した気液液固四相流れのシミュレーションモデルの構築を行った。次に，構築したシミュレーションモデルの検証を行った。固体粒子表面における流体三相の濡れ挙動を計算したところ，接触角やラプラス圧において，解析解と良好な一致が得られた。次に，従来の研究（Duez et al., Nat. Phys. (2007); M. Do-Quang and G. Amberg, Phys. Fluids (2009)）で，粒子運動と自由表面運動のベンチマークとして行われている，自由表面への固体粒子の衝突・通過挙動の計算を行った。本シミュレーションモデルにより得られた計算結果は，従来の研究で報告されている，接触角と自由表面の変形挙動の関係を定性的に良好に表現していた。また，流体二相系と三相系では，衝突時における自由界面の変形や毛管力が異なるため，ダイナミクスが大きく変化することが示唆された。
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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
研究計画段階で予定していた通り，本年度は気体-液体（水相）-液体（油相）-固体粒子からなる四相流れのシミュレーションモデルの開発を行った。まだ検証は完全に完了していないものの，概ね予定通りにプログラム開発は進捗しており，比較的単純な系では，数値計算を実施することができている。以上より，進捗状況は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 |
本年度は気体-液体（水相）-液体（油相）-固体粒子からなる四相流れのシミュレーションモデルの開発を概ね順調に行うことができたが，比較的単純な系でしか検証できていない。これは，従来の研究では，理論解析やシミュレーションはおろか，実験においても四相流れのダイナミクスに関する研究は非常に稀であるためである。そこで，次年度は四相流れのための検証実験を新たに立ち上げる。具体的には，気-液，液-液の二つの自由界面に対する固体粒子の衝突・通過の実験を行う。固体粒子や自由界面の動的挙動を撮影し，シミュレーション結果との比較を行う予定である。四相流れのシミュレーションモデルの検証ならび開発が完了した後は，本研究の目的であるキャピラリーサスペンションの乾燥シミュレーションを行う。多数の固体粒子を系内に導入し，液架橋によって結合した粒子構造の作成を行った後，気液表面の蒸発に伴う液レベルの低下を表現し，粒子系構造の挙動を計算することにより，液架橋による乾燥粒子薄膜のクラック抑制機構の解明を行う。
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| Causes of Carryover |
物品費として，システム顕微鏡の購入を予定していたが，本年度はシミュレーションコードの開発のみに注力したため，購入を次年度以降に見送った。次年度以降にシミュレーションの検証実験やサスペンションの乾燥実験を行う予定であり，その際に適切な観察装置を購入する予定である。
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Research Products
(6 results)
