Measurement and modeling of evaporation and condensation at the liquid-vapor interface of multicomponent systems

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02062
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Kinefuchi Ikuya 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30456165)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉本 勇太 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (90772137)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 分子流体力学 / 希薄気体流 / 気液界面 / クヌッセン層

Outline of Final Research Achievements

We measured the velocity distribution of water molecules that have just evaporated from a liquid-vapor interface. The velocity distribution exhibits a deviation from the Maxwell-Boltzmann distribution, showing a similar trend predicted from molecular dynamics simulations reported in the literature. In addition, we measured the concentration of solute molecules (Coumarin C314) at a liquid-vapor interface and clarified the relationship between the surface coverage of the solute molecules and the evaporation mass flux. We also conducted numerical simulations of nonequilibrium gas flows induced by the evaporation from porous surfaces and constructed a model that describes the pore size dependence of evaporation mass flux.

Free Research Field

流体工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

気液相変化を伴う混相流は工業的に重要な問題であるが，流れを解析する上で必要となる気液界面の境界条件には未だに様々な議論がある．本研究では，気液界面から蒸発した直後の気体分子の非平衡速度分布を計測する世界初の試みに成功した．得られた計測結果は，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ものであり，今後，当該研究分野にインパクトを与えるものである．また，気液界面における溶質分子の濃度と溶媒の蒸発流束の関係を実験的に定量化した研究はこれまでに例がなく，今後，本研究の成果と分子シミュレーション等の連携による現象理解が進むことが期待できる．