| Project/Area Number |
20K04297
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
高田 尚樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (60357358)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
茂木 克雄 東京電機大学, 工学部, 教授 (20610950)
高木 知弘 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (50294260)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | 混相流 / 数値流体力学 / マイクロフルイディクス / 液滴 / 界面 / 濡れ性 / マルチフェーズフィールドモデル / 格子ボルツマン法 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、生命・医療・化学工学等様々な分野における各種マイクロ流体デバイスの機能を高精度・高効率に評価可能とする、革新的な固気液混相計算法を開発する。手法には、複雑な材料組織の予測ミュレーションで多用されるマルチフェーズフィールドモデルを採用し、任意の数の相の取り扱い、滑らかな界面の形成、及び濡れ性の自発的な再現を可能とする。さらに、保存型Allen-Cahn方程式の導入により、従来のCahn-Hilliard方程式に比べて100倍以上高速な計算を達成する。本手法を用いたシミュレーションにより、微小な気泡・液滴・固体粒子を操作するデバイスの機能の評価と高度化に役立つ新たな知見が得られる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
国内外の生命・医療・化学等様々な理工学分野では、複数の気相・液相・固相が混在して流れる混相流を微小空間で制御・利用する様々なマイクロ流体デバイスやプロセスの研究・開発が進められている。それらの機能評価と最適設計に不可欠な混相流現象の解明・予測には数値流体力学（CFD）シミュレーションが有用であるが、従来CFD手法では高精度・高効率計算が難しい。この技術課題を克服するため、本研究では、3相以上の微小な固気液混相流の革新的計算手法の開発に取り組む。具体的には、マルチフェーズフィールドモデル（MPFM）を導入して混相界面を自律的に構築し、流体力学方程式と保存形Allen-Cahn（CAC）界面移流方程式の計算スキームとして格子ボルツマン法（LBM）を採用して簡易で高効率なシミュレーション実現を目指す。本年度は次の成果を得た。
（１）これまで当該研究者らが提案してきたMPFMに基づく混相流CFDシミュレーション手法よりも各相の体積を高精度保存可能な新たな定式化を構築し、2次元ベンチマークテスト計算を通してその体積保存精度を実証した。
（２）マイクロ矩形ピラーアレイに付着する液滴の3次元シミュレーションで、ピラー表面の濡れ性（接触角）の不均一性が液滴の挙動と平衡状態における位置に影響することを確認した．
（３）他の研究者が提案するLBMに基づく二成分系二相流CFD手法に対して、界面張力及び外力の計算方法に関する本研究での知見を活用して、当該手法が二相流体挙動を従来よりも高精度に再現できることをベンチマークテスト計算を通して確認した。
（４）当該CFD手法を用いて液滴に仮想的な外力を作用させて固体表面上での液滴挙動を再現し、力の大きさ・方向並びに液滴の形状・速度・加速度等を指標として液滴の易動度を表すことによる、計算機上における３次元微細構造付き固体表面の濡れ性の評価方法を提案した。
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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
当初計画通り、当該研究者らが提案した混相流体モデルに改良した計算スキームを導入することで本計算手法の体積保存精度が向上するとともに、固体表面に付着するマイクロ液滴の形状・挙動・平衡位置に対して表面の微細な3次元構造と不均一な濡れ性が影響することが確認された。また、これまで得られた知見を活用し、他の研究者らと協力して新たな二成分系二相流計算手法も提案することができた。以上により、様々なマイクロ流体デバイスや流体プロセスの機能評価と最適化に資する簡易且つ高精度な混相流シミュレーションの計算手法の開発はおおむね順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
更なる研究推進のため、研究代表者・研究分担者らは協力して、これまでの成果を基礎にして、構築した固気液混相流モデルを改良するとともに、計算コードの開発、可視化実験による混相流計算法の検証・改良に取り組む。効果的に研究計画を遂行するため、当該研究者らで適宜メール連絡やリモート会議に加えて相互に研究現場を訪問して打ち合わせを行う。
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