2021 Fiscal Year Annual Research Report
Measurement and modeling of evaporation and condensation at the liquid-vapor interface of multicomponent systems
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20H02062
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
杵淵 郁也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30456165)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉本 勇太 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90772137)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 分子流体力学 / 希薄気体流 / 気液界面 / クヌッセン層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 蒸発・凝縮が生じている気液界面の第二高調波分光計測
中心波長約800 nm，繰り返し周波数80 MHz，平均出力約1 Wのフェムト秒レーザーを用いて気液界面の第二高調波分光計測を行う実験系を構築した．試料液面に対してレーザー光をスポット径数十 μmに集光して照射し，波長約400 nmの第二高調波をエッジパスフィルタを通した後にアバランシェフォトディテクタに集光し，出力信号をロックインアンプにより検出する構成となっている．さらに，クマリン314水溶液を対象とした予備実験を進めた．
(2) 気液界面から蒸発する気体分子の速度分布計測
ナノ細孔アレイ膜の表面にピン止めされた気液界面を真空容器内に保持し，蒸発直後の水分子の速度分布を飛行時間法により計測する実験系を構築した．細孔径および細孔間隔を適切に定めることで，気相における分子間衝突が実質的に生じない状況が実現され，蒸発直後の速度分布の計測が可能となった．本計測により得られた速度分布はMaxwell-Boltzmann分布と比較して遅い分子の割合が若干少なく，速い分子の割合が若干多い傾向を示している．この結果は分子動力学シミュレーションにより予想されている傾向と一致しており，今後，温度などの条件を振った計測を実施することにより，計測の信頼性を確認するとともに現象の理解に取り組んでいく予定である．
(3) 多孔体表面からの蒸発に伴う非平衡気体流れの解析とモデリング
細孔アレイ表面からの蒸発を対象として，非平衡気体流れの解析，液体の流動解析，固体内の熱伝導解析を連成させた解析を行うことで，細孔形状，流体の物性，温度・圧力などの条件が蒸発流れに与える影響を検討した．また，回転自由度を持つ多原子分子の低マッハ数流れに対して，分散低減型モンテカルロ法と粒子数削減法を併用することにより効率的に解析を行うアルゴリズムを開発した．
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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
蒸発・凝縮が生じている気液界面の第二高調波分光計測に関しては実験系の構築に時間を要したため，正味の蒸発流束が生じている非平衡界面を対象とした計測には至っておらず，当初の計画よりも遅れている．一方で，気液界面から蒸発する気体分子の速度分布計測については，これまで数値計算では予測されていたものの実験的な実証がなされていなかった学術的に意義深い結果が得られており，今後，当該研究分野にインパクトを与える成果であると考えている．また，分散低減型モンテカルロ法を回転自由度を持つ多原子分子の流れに対して適用するアルゴリズム開発に関しては，当初想定していた以上の成果が得られた．以上を総合して，おおむね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
蒸発・凝縮が生じている気液界面の第二高調波分光計測については，予備実験が完了次第，2022年度のなるべく早い時期に本計測を実施する予定である．また，気液界面から蒸発する気体分子の速度分布計測については計測の信頼性を確認する検討を進め，早急に論文化することを考えている．
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