任意の温度分布を持つ壁面間のマイクロ潤滑モデルの分子論的研究

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03877
• Research Institution: Tottori University
• Principal Investigator: 土井 俊行 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (00227688)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 分子気体力学 / マイクロ潤滑 / 偏心円筒間流れ / 非連続体効果

Outline of Annual Research Achievements

令和4年度は、気体分子の平均自由行程(0.1ミクロン)程度の狭い隙間を持つ回転偏心円筒間の気体潤滑問題を気体論で調べた。その前年度(令和3年度)は、微小隙間の気体潤滑系における非連続体効果の物理的側面に注目していたため、より簡単な同心円筒間の問題を取り上げた。しかし、マイクロテクノロジーへの応用上は、偏心円筒間の潤滑問題がより重要である。令和4年度は、前年度に築き上げた解析法を拡張し、偏心円筒間潤滑系に適用できる潤滑理論を構築した。また、理論の検証のためボルツマン方程式の直接数値解析も平行して行った。結果として、理論と数値計算の完全な一致を確認した。ボルツマン方程式の直数値計算の計算コード開発には膨大な時間がかかったが、その副産物として、潤滑問題に限らず、偏心円筒間領域における希薄気体の流れの問題に広く適用できる汎用性の高い計算コードを構築することもできた。
以上の成果は、論文 "Generalized Reynolds equation for microscale lubrication between eccentric circular cylinders based on kinetic theory" にまとめて2023年1月22日にJournal of Fluid Mechanics 誌に投稿した。2023年4月28日の時点では査読中である。また、令和3年度に出版された論文(Effect of a small curvature of the surfaces on microscale lubrication of a gas for large Knudsen numbers, Physical Review Fluids, 7, 034201 (2022))は、出版時(2023/3)科学研究費が使えない時期であったためオープンアクセス化していなかったが、今年度オープンアクセス化した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究自体は予定より1か月以上先行しているが、論文を投稿したjournalが査読に3か月以上かかるため、成果が遅れている。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度は偏心円筒間潤滑理論の基礎方程式を導出し、その妥当性を検証した。ボルツマン方程式の直接計算に勝るこの潤滑方程式の長所は、(1) 必要な計算規模が圧倒的に小さいことと、(2) 潤滑方程式は従来からの潤滑理論の方程式と類似しているため、必要な数値データさえ提供されれば、気体論の専門知識がなくても容易に使いこなせることである。一方、この潤滑方程式を使うためには、必要な数値データを広い範囲でデータベース化して提供する必要がある。令和5年度はこのデータベースの拡充を行う。これを成し遂げれば、多くの技術者が本潤滑方程式を容易に使えるようになる。

Causes of Carryover

研究成果の論文は年度末から2か月以上の余裕をもって投稿したが、著名誌ゆえに査読に3か月以上かかるため、年度内の出版に間に合わなかった。その結果、オープンアクセス料として用意していた約30万円は、次年度論文が受理されてから使用する。