2020 Fiscal Year Annual Research Report
Multifaceted analysis of microdynamics of invasion and drainage processes in porous media effected by hydrophobic particles
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20H03100
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
竹内 潤一郎 京都大学, 農学研究科, 准教授 (20362428)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 間隙ネットワーク / パーコレーション / 格子ボルツマン法 / 非混合性流体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2D格子ボルツマン法を用いて，多孔質媒体内の流れに関して以下の研究を行った。
一般に，多孔質媒体内の流速が十分遅い場合は，流量と水理水頭の勾配は線形関係となるダルシーの法則が成り立つが，流速が大きくなる（レイノルズ数が10程度）と線形関係が成り立たなくなる。その理由として，流速が早くなると流路の拡大・縮小部や曲がり部などで二次流が知られている。ここでは，それらの他に，多孔質媒体のヘテロ性も影響していることを，1相流れの2D格子ボルツマン法を用いた数値実験によって示した。
多孔質媒体内の非混合性流体の侵入現象に関して，2D格子ボルツマン法を用いて数値計算を行った。濡れ性流体により飽和している多孔質媒体への非濡れ性流体の侵入様式は，キャピラリー数や流体の粘性比により，キャピラリーフィンガリングや粘性フィンガリング，一様浸入など様々に変化することが知られている。また，キャピラリーフィンガリングでは，ヘインズジャンプと呼ばれる急激な侵入やそれに続く流体の再分配といった複雑な現象が起こる。これらの現象を，単純化した2D 間隙モデルにおいて，色勾配型の格子ボルツマン法を用いて再現を行った。
上記の非混合性流体の侵入現象は，キャピラリー数や粘性比の他に，オーネゾルゲ数やレイノルズ数にも影響を受けるといわれている。多数の間隙を含む2D多孔質媒体モデルにおいて，それらの検証を行った。同一のキャピラリー数と粘性比においても，レイノルズ数が異なると，侵入様式が異なることが示された。
多孔質媒体内の密度流において，帯水層内の流れと浸入する塩水の濃度によって様々な侵入様式が生じることを室内実験を用いて示した。塩水の分散係数が流速によって変化することを考慮したレイリー数を提案した。
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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
本年度は，開発した2D格子ボルツマン法と導入したNVIDIAのQuadroGV100を搭載したワークステーションをもちいて，モデルの検証と研究を行ってきた。また，並行して，3Dモデルの開発を行っており，間隙が数十程度含まれる領域の計算は問題なく実行できることは確認済みである。ただし，大規模計算を行うには能力不足であるため，大学や研究機関のワークステーションの利用を検討する必要がある。
一般の多孔質媒体の間隙ネットワーク抽出に関して，研究員としてポスドクを雇用し，抽出プログラムの開発を行い，抽出が可能となっている。今後は，DEMを用いて作成した多孔質媒体モデルやマイクロトモグラフィによって計測された多孔質媒体に適用し，間隙の空間分布の特性やネットワークとしての特性を解析する。
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| Strategy for Future Research Activity |
格子ボルツマン法を用いたモデルの開発に関して，多相流れに色勾配法を用いていた。この方法は，広く用いられている手法であるが，流体と固体の接触角を実現するために，非物理的な手法を用いている。より物理的な（熱力学的な）面から現象を検証するために，自由エネルギー法を採用する。
実験に関して，多孔質媒体モデルを作成するために，高性能の光造形3Dプリンタを導入することを申請していたが，近年の当該分野の発展により，より安価なものでも精度の良いものが作成できるようになってきている。そこで，予備実験用に一般的な光造形3Dプリンタを導入し，形状などの検証を行った上で，本実験用の多孔質媒体モデルの作成は外注することとする。
また，当初は，粒径0.2mm程度の粒子を用いることを想定していたため，マイクロスコープを必要としていたが，流体や流入速度を工夫することにより，数ミリ程度の粒子や間隙でも実験可能であるので，実体顕微鏡やマクロレンズで記録可能となる。
侵入現象の理論的な説明として，解析力学を用いた検討を行っていく。
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