Multifaceted analysis of the micromechanisms of the effects of hydrophobic particles on infiltration and drainage processes

• Project/Area Number: 23K20293
• Project/Area Number (Other): 20H03100 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 41030:Rural environmental engineering and planning-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 竹内 潤一郎 京都大学, 農学研究科, 准教授 (20362428)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2024: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2020: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
• 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 / 疎水性粒子

Outline of Research at the Start

土壌などの多孔質媒体の構造や，内部の水や空気などの移動の様子が，近年の計算手法や観測機器の発達により詳細に分かるようになってきている。理論的な面では，パーコレーション理論により，多孔質媒体への流体の侵入現象の背後に間隙のネットワークとしての特性があり，それに応じて侵入様式が決まることが示されている。本研究では，格子ボルツマン法や間隙ネットワークなどのシミュレーションモデルや実験や観測を通して，その理論の検証やさらなる発展を目指す。さらに，応用として疎水性粒子を含んだ際の多孔質媒体の水理特性の変化について，理論やシミュレーションにより，変化のメカニズムを解明する。

Outline of Annual Research Achievements

昨年に引き続き，格子ボルツマン法による間隙スケールの侵入現象に関するシミュレーションモデルの精緻化や間隙ネットワークモデルによる浸潤・排水過程の水分保持特性のモデル化，3Dプリンタによって作成した単純化した多孔質媒体モデルを用いた浸透実験を行った。
格子ボルツマン法を用いたシミュレーションでは，3次元の球形粒子を充填した多孔質媒体モデルやマイクロトモグラフィによる砂岩の間隙モデルに対して，接触角を0°とした液体の侵入過程について，オーバーラップやコーナーフロー，フィルムフローといった給水過程で特徴的な侵入パターンの再現を行った。
間隙ネットワークモデルでは，複数の濡れ性と粒径をもつ粒子から構成された多孔質媒体の水分保持特性の再現を行い，実験結果との比較を行った。複数の濡れ性を持つ間隙の合成接触角の推定方法に課題が残るため改良を行っていく。
3Dプリンタによる他行した媒体モデルでは，侵入方向とそれに垂直な方向である側方の間隙への侵入実験をCa数やRe数を変化させて行った。側方により大きな間隙を配置した場合，準静的や低Re数では側方のみに侵入したが，Re数が大きくなると直進方向にも侵入するようになることが確認された。これまでは定性的に知られていた現象を定量的に評価を行っていく。
変分法を用いたForchheimer流れの定式化を行い，その数理モデルに基づいて数値計算を行った。これまでの慣例的なモデルとは透水係数の空間的変化により生じる項が付け加わった形になっている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

格子ボルツマン法や間隙ネットワークモデルを用いた研究は当初の予定通り，対象とする現象や物性を増やしてきている。3Dプリンタを用いた多孔質媒体モデルの作成は，使用するレジンによりモデルの仕上がりが変化したり，造形後モデルが反ったりしたが，3Dプリンタのパラメータを調整して対応した。

Strategy for Future Research Activity

格子ボルツマン法や間隙ネットワークに関しては引き続きモデルの改良を加えつつシミュレーションを行っていく。
3Dプリンタによる多孔質媒体モデルを用いた浸入実験では，Ca数やRe数を系統的に変化させた実験を行っていく。

Research Products

• [Journal Article] SPATIAL STATISTICAL ANALYSIS OF THE POROUS MEDIUM EXTRACTED FROM VIRTUAL PACKED GRAINS WITH RANDOM SIZES (2021)
  • Author(s): Song Yu, J. Takeuchi, Y. Takeuchi and M. Fujihara
  • Journal Title: International Journal of GEOMATE Volume: 21 Issue: 88 Pages: 2186-2990
  • DOI: 10.21660/2021.88.gxi386
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two-Dimensional Numerical Analysis of Non-Darcy Flow Using the Lattice Boltzmann Method: Pore-Scale Heterogeneous Effects (2021)
  • Author(s): Takeuchi Yuto、Takeuchi Junichiro、Izumi Tomoki、Fujihara Masayuki
  • Journal Title: Journal of Fluids Engineering Volume: 143 Issue: 6 Pages: 06140-06140
  • DOI: 10.1115/1.4049689
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] NUMERICAL ANALYSIS OF INVASION PATTERNS DURING DRAINAGE PROCESS IN A SIMPLIFIED PORE NETWORK MODEL (2021)
  • Author(s): Takeuchi Yuto, J. Takeuchi and M. Fujihara
  • Journal Title: International Journal of GEOMATE Volume: 20 Issue: 82 Pages: 132-139
  • DOI: 10.21660/2021.82.gx409
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impacts of density-driven fluctuations on groundwater caused by saltwater intrusion (2021)
  • Author(s): Seng T, Takeuchi J, Fujihara M
  • Journal Title: International Journal of GEOMATE Volume: 20 Issue: 79 Pages: 22-27
  • DOI: 10.21660/2021.79.6201
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 濡れ性の異なる粒子から成る多孔質体への流体浸入について (2023)
  • Author(s): 竹内雄人，竹内潤一郎，藤原正幸
  • Organizer: 日本混相流学会 混相流シンポジウム
• [Presentation] CHANGES IN THE NETWORK PROPERTY OF PORES DUE TO THE FORMATION OF AGGREGATES (2023)
  • Author(s): Atsushi Goto, Junichiro Takeuchi, Yuto Takeuchi and Masayuki Fujihara
  • Organizer: GEOMATE 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] キャピラリ数が吸水過程に与える影響に ついて (2023)
  • Author(s): 竹内 雄人，竹内 潤一郎，藤原 正幸
  • Organizer: 令和 5 年度応用水理研究部会講演会
• [Presentation] 慣性効果と二層流体の置換現象の関係に 関する実験 (2023)
  • Author(s): 古澤大賀，竹内潤一郎，藤原正幸
  • Organizer: 令和 5 年度応用水理研究部会講演会
• [Presentation] Numerical Experiment for Non-Darcy Flow Formulation (2023)
  • Author(s): Xiaoyi Wang, Junichiro Takeuchi, Yuto Takeuchi and Masayuki Fujihara
  • Organizer: 令和 5 年度応用水理研究部会講演会
• [Presentation] 多孔質体への水浸入時に発生するフィンガー流の間隙スケールシミュレーション (2022)
  • Author(s): 竹内雄人，竹内潤一郎，藤原正幸
  • Organizer: 2022年度農業農村工学会大会講演会
• [Presentation] LBM を用いたフィンガー流の研究 (2022)
  • Author(s): 竹内雄人，竹内潤一郎，藤原正幸
  • Organizer: 農業農村工学会応用水理部会
• [Presentation] SPATIAL STATISTICS AND PERCOLATION PROBABILITY OF PORE-NETWORK IN POROUS MEDIA WITH AGGREGATE STRUCTURE (2022)
  • Author(s): Junichiro Takeuchi, Masayuki Fujihara
  • Organizer: 12th International Conference on Geotechnique, Construction Materials & Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 二相格子ボルツマン法による間隙スケールでの排水過程と吸水過程のシミュレーション (2021)
  • Author(s): 竹内 雄人・竹内 潤一郎・藤原 正幸
  • Organizer: 2021年度農業農村工学会大会講演会
• [Presentation] SPATIAL STATISTICAL ANALYSIS OF THE POROUS MEDIUM EXTRACTED FROM VIRTUAL PACKED GRAINS WITH RANDOM SIZES (2021)
  • Author(s): Song Yu, J. Takeuchi, Y. Takeuchi and M. Fujihara
  • Organizer: 11th Int. Conf. on Geotechnique, Construction Materials & Environment, Kyoto, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 乱れ指数による慣性流れの検討 (2021)
  • Author(s): 竹内 雄人・竹内 潤一郎・藤原 正幸・泉 智揮
  • Organizer: 日本雨水資源化システム学会第29回研究発表会
• [Presentation] スパコンによる多孔質体内流れの大規模計算 (2021)
  • Author(s): 竹内雄人・竹内潤一郎・藤原正幸
  • Organizer: 農業農村工学会京都支部第78回研究発表会
• [Presentation] 格子ボルツマン法による重力フィンガリングの検討 (2021)
  • Author(s): 竹内雄人・竹内潤一郎・藤原正幸
  • Organizer: 第35 回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] IDENTIFYING IMPACTS OF DENSITY-DRIVEN FLUCTUATION TO GROUNDWATER CAUSED BY SALTWATER INTRUSION (2020)
  • Author(s): Theara Seng, Junichiro Takeuchi, and Masayuki Fujihara
  • Organizer: 6th Int. Conf. on Structure, Engineering & Environment (SEE), Kyoto, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NUMERICAL ANALYSIS OF INVASION PATTERNS DURING DRANAIGE PROCESS IN A SIMPLIFIED PORE NETWORK MODEL (2020)
  • Author(s): Yuto Takeuchi, Junichiro Takeuchi, and Masayuki Fujihara
  • Organizer: 10th Int. Conf. on Geotechnique, Construction Materials and Environment, Melbourne, Australia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 間隙スケールのヘテロ性が非ダルシー流に与える影響 (2020)
  • Author(s): 竹内 雄人，竹内 潤一郎，藤原 正幸，泉智輝
  • Organizer: 日本雨水資源化システム学会第28回研究発表会
• [Presentation] 格子ボルツマン法による 多孔質体内非混合性混相流のシミュレーション (2020)
  • Author(s): 竹内 雄人，竹内 潤一郎，藤原 正幸
  • Organizer: 第34 回数値流体力学シンポジウム