| 研究課題/領域番号 |
22K03910
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19010:流体工学関連
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| 研究機関 | 関西大学 |
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研究代表者 |
山本 恭史 関西大学, システム理工学部, 教授 (90330175)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 流体工学 / 電気流体力学 / 境界要素法 / 混相流 / 積分公式 / 表面張力 / 微小スケール |
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| 研究開始時の研究の概要 |
マイクロ流体素子というとても小さい寸法の装置が，いろいろな分野で利用されています．寸法が小さくなると，長さの3乗で影響するような重力や，長さの2乗で影響する圧力・粘性力より，長さ1乗で影響する表面張力が大事になります．さらに，液体表面が固体表面と接する状態となる場合には，表面張力の固体表面での作用である「濡れ性」を制御できるかどうかが，装置設計の重要な事項となります．また濡れ性は電圧を印加することで変化します．ただし，その電圧による濡れ性変化は電圧の大きい時には理論的に説明できていません．本研究は，固体を含む電気流体力学現象を再現するシミュレーターを構築し，電気流体力学現象の解明を目指します．
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では，界面を含む電気流体力学のための新しい数値解析手法を提案し，これまで経験的にしか扱われてこなかった現象について，モデルを用いない直接数値解析により，物理の解明を目的とする．具体的には，界面を含む混相流体の数値解析手法であるFront-tracking法と，電場解析に境界要素法を組み合わせることで，これまでにない高精度に界面近傍の電気力を表せる，数値解析手法を開発することである．
本研究で行うことの1つ目は，電場を境界要素法で扱うこと（Electric Boundary Element Method）と，混相流をFront-tracking法で扱うこと（Multiphase Front-tracking Method）を合体した，新しいシミュレーター（EBE-MFT simulator）の開発である．
初年度はオリジナルの電気流体力学シミュレーターを開発し，電場中の液滴の挙動（理論解のあるシンプルな系）を計算し，液滴の形状変化の縦横比，内部循環流動などが再現できるかを検証したが，残念ながら，理論と一致すべき点（液滴が真球形を保つ条件）が一致していなかった．2年目である今年度は，数式とコードを再検証し，界面以外での電位や電場は理論と一致することが確認された．本研究で必要な界面上の電場を計算する際に，BEM手法そのものの数学的な特異性を考慮した処理が必要であることに気づき，それを表現する方法を提案した．結果，電場中の1つの液滴については，理論解を完全に再現できるシミュレーターが完成した．
また，昨年度に引き続き，混相流シミュレーターの改良のために，濡れモデルの検証，濡れモデルの応用，マランゴニ対流シミュレーターの開発を行った．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
上記のとおり，初年度に発生した問題の本質に気づくのに多くの時間を要し，その問題を解決することに2年目を費やした．
EBE-MFT simulatorの枠組みは完成したので，後は残り期間で目標のエレクトロウェッティングの再現に向けて進むことが出来ると考えている．
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| 今後の研究の推進方策 |
電場中の液滴の挙動について，さらに他者の実験や計算との比較を行い，本シミュレーターが電気流体力学現象の物理を再現できることを確認する．
その次は，エレクトロウェッティング現象を，モデルを用いない数値解析により再現するため，開発されたシミュレーターに，絶縁層と電極で構成される固体層の表現を追加する．エレクトロウェッティング現象のシミュレーションを行い，低電圧時のヤング・リップマン式の再現，高電圧時のヤング・リップマン式の破綻，それらのメカニズムについての考察を目指す．
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