2021 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 |
本年は，3次元格子ボルツマン法の開発，watershed法を用いた間隙ネットワークの抽出法の導入，3Dプリンタを用いて2次元多孔質媒体モデルの作成を行った。
3次元格子ボルツマン法では，親水性流体と疎水性流体の混相流の解析のため，color-gradient法に加えphase-field法を導入した。color-gradient法を用いたシミュレーションでは，浸潤過程と排水過程の侵入特性であるcapillary fingeringやcooperative pore fillingを再現した。color-gradient法は，基本的に問う密度比の流体を対象としており，応用上重要な水や空気といった密度比の大きな混相流を扱うためにphase-field法が必要となる。それにより，フィンガー流の解析を行った。キャピラリー数やボンド数，レイノルズ数といったパラメータを変化させることにより，一様浸入や様々な形態のフィンガー流の再現を行った。
間隙ネットワークモデルでは，watershed法により，任意の粒径分布の粒子で構成された多孔質媒体の間隙ネットワークを抽出可能になった。様々な範囲で粒径が分布した多孔質媒体モデルと団粒構造をもつ多孔質媒体モデルの間隙ネットワークを抽出し，モラン統計量による間隙の空間統計解析とパーコレーション理論における浸透確率（排水過程）を求めた。これにより，団粒構造を持つ多項式媒体は，他の多孔質媒体に比べて同一サイズの間隙クラスターがより多く存在していることが空間統計解析により示された。また，浸透確率からは，一般の多孔質媒体の浸透閾値はおよそ0.35であるのに対し，団粒構造を持つ多孔質媒体はおよそ0.05であることが定量的に示された。これは，団粒構造を持つ多孔質媒体は上位5％ほどの比較的大きな間隙のみでサブネットワークを形成しており，高排水性の要因となっている。
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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
格子ボルツマン法による計算モデルの開発は，color-gradient法に加えphase-field法を採用しており順調に進んでいる。2020年度に導入したNvidia製Quadro GV100を搭載したワークステーションおよび2021年に導入した同A100を搭載したワークステーションを用いてGPUで計算を行っている。これらのグラフィックボードでは300×300×300程度の格子数で，数mmの粒子500こ程度，一辺が数cmの多孔質媒体モデルの計算を行っている。また， 1216×1216×1216の分割数でおよそ18億の格子数での計算をスパコンで行った。この規模の計算をするにはMPI通信によりプロセス間の通信を行う必要があり，OpenMPと併用したプログラムを開発した。
watershed法を導入して一般の多孔質媒体の間隙ネットワークを抽出できるようになった。抽出した間隙ネットワークの空間統計解析と浸透確率を求めた。
光造形型3Dプリンタを用いた2次元多孔質媒体モデルの作成では，当初は導入部，多孔質媒体部，排出部の一体の形成を目指していたが，多孔質媒体内や導入部の分岐などにおいて，紫外線の照射時間など様々なパラメータの値で試したが精密な形成ができなかったため，試行錯誤の末，分割して作成することとした。疎水性流体としてジヨードメタンを用いて，様々なキャピラリー数とレイノルズ数で浸入実験を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
シミュレーションモデルとして，間隙ネットワークモデルに基づいたものと格子ボルツマン法を用いたものを引き続き開発を行う。間隙ネットワークモデルは，watershed法を採用し，任意の粒径分布からなる多孔質媒体の間隙ネットワークを抽出できるようになったが，その過程で粒子と間隙の関係が失われてしまう点を改良する。これは，疎水性粒子の混入を扱ううえで必須となる。格子ボルツマン法は，一般に密度が同等な混相流に適用されており，水と空気といった高密度比の混相流への適用は課題が多い。ここでは，phase-field法を採用し，高密度比の非混合性流体を扱えるよう改良したものを用いてフィンガー流などのシミュレーションを行う。
実験では，疎水性粒子の混入した多孔質媒体の水分保持特性や透水係数の測定により，間隙ネットワークモデルのパラメータ同定に供する。また，3Dプリンタを用いて多孔質媒体モデルを作成し，様々な間隙比やヘテロ性のもとで系統的な非混合流体の侵入実験を行う。
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