2014 Fiscal Year Research-status Report
反応界面，相界面，固体壁面などの非平衡界面を統一的に扱う流体数理モデルの研究
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26630044
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
大島 伸行 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10217135)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 計算科学 / 数値流体力学 / 界面 / レベルセット法 / フェーズフィールド法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
界面流体現象の一般化数理モデルに関する研究として，予混合火炎に対する局所火炎速度に基づく燃焼モデルを3次元曲率をもつ場合に拡張した一般化モデルを構築し基礎的な数値検証を行った．ここでは，局所火炎速度の3次元場での一般的な定式として保存型，非保存型の２つのモデルが導出された．局所火炎速度がレベルセット法における界面分布の再初期化法より導出できること，単調な平面火炎においてはいずれもが粘性項と競合して定常な界面厚さを与えること，また，前者が安定状態への平衡化効果を後者が曲率効果を与えることなどが明らかとなった．さらに，保存スカラーと連成することによって一般的な部分予混合火炎へ適用可能な燃焼モデルを導出し，乱流火炎への拡張を試みた．さらに乱流火炎モデルの検証に際しては大規模な数値シミュレーションが必須となるため，汎用流体シミュレーションソフトウェアFrontFlow/redに上記モデル定式を実装を行った．
分子スケールの界面現象に関する研究としては，代表的な単原子分子（アルゴン），2原子分子（酸素，窒素）および極性分子（水）に対しての気液界面を伴う分子動力学計算を実行して，単一気体および混合気体における気液界面のミクロスケール現象に関する詳細データを取得した．特に，水分子に対しては液体状態の再現性に優れる6-siteモデルに関して，その正確な計算法の確立と物性値予測に対する基礎検証を行った．また，マクロ現象との重要な接点となる非一様場における熱力学的圧力に関してビリアル近似に基づく評価法を考案してアルゴン平衡気液界面に適用して蒸気圧予測精度などの検証を行った．また，界面効果としてナノスケールの薄い液相膜内の圧力上昇や水-蒸気界面への酸素吸着などの再現を得た．
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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
計画目標としたレベルセット法に基づく界面数理モデルに関して一般化された定式を導き基礎的な数値検証を得た．また，乱流燃焼場への応用としては，汎用シミュレーションソフトウェアへの実装を進めており，大規模な実証計算を実施できる環境が構築されている．また，分子スケールでの界面現象の検討に対して，単原子分子（アルゴン），2原子分子（酸素，窒素）および極性分子（水）に対する分子動力学シミュレーションを確立して基礎的データ取得を可能にするとともに，いくつかの界面現象の再現を得ており，数理モデル導出に着手している．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度研究によって，気体-気体（火炎），気体-液体界面の数理モデルの確立に向けての道筋を得た．今年度は，大規模数値シミュレーションによって，これらの数理モデルの定量的な評価検証を進めるとともに，ここまでに得たモデル化概念に基づいて固体界面（壁面）モデルへの拡張展開を試みる．また，分子揺らぎを含む界面現象に対する複素関数モデルの研究進展については新たに衝撃波などの高エネルギー現象を対象として昨年度成果の拡張展開を連携研究者らの協力を求めて進める予定である．
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