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2015 年度 実績報告書

ミクロからマクロまでのスケールを統一的に扱える「界面」現象理論と解析手法の構築

研究課題

研究課題/領域番号 15J00778
研究機関大阪大学

研究代表者

山本 卓也  大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2015-04-24 – 2017-03-31
キーワードマランゴニ対流 / 微小スケール / 数値シミュレーション / VOF法 / Langevin方程式 / 熱・物質輸送
研究実績の概要

本研究目的はマクロスケールからメゾスケールまでのスケールにおいて、「界面」現象であるマランゴニ対流とメゾスケールで顕著となる現象の大きさを定量評価し、一般化することである。本年度はこれを達成するために、以下の研究を行った。
ミクロからマクロまでのスケールを統一的に扱える数値シミュレーションモデルの大枠を構築した。初めに、ミクロスケールで見られる分子による熱揺動の影響をマクロな混相流の数値流体シミュレーションモデルに加え、混相流の数値シミュレーションモデルの開発を行った。この際に、混相流モデルとして既存のマクロスケールで用いられているVolume of Fluid法をベースに混相流モデルを構築した。Volume of Fluid法を用いる場合には高精度化のため、Level Set法と組み合わせたCLSVOF法の数値シミュレーションコードを開発した。さらに、微小スケールにおける物質輸送のために離散的にLangevin方程式と連成し、ミクロスケールでの離散的な手法とマクロスケールでの連続的な手法の連成を行い、メゾスケールにおける数値シミュレーションまでを解析できるように大枠を作成した。
さらに、このシミュレーション手法を用いて数値シミュレーションを行い、実際にマクロスケールでの現象を計算できるかどうかを確認した。この計算でマクロスケールでの現象を正確に計算することができた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

数値シミュレーションモデルの作成に関しては順調に開発を行うことができた。初年度にマクロスケールでのモデルを基にミクロモデルを加えるという方法で本研究に取り組み、マクロスケールでの現象を包含しながらミクロスケールの影響を取り込める大枠の方法論を確立した。故に、これからミクロモデルを追加していくための基盤ができているため、容易にミクロモデルを導入することができる。これは、今後研究を進める上でも非常に重要であり、順調に進展していると考えられる。
さらに、この結果を国際学会で発表した結果、selected paperにも選ばれ、注目を浴びた。

今後の研究の推進方策

現在までの進捗状況で説明したように、これまでに全体の枠組みとしての数値解析手法の構築を終えた。マクロスケールでの現象との比較・検証も終えたため、今後はミクロモデルの導入と検証を行う必要がある。
そこで、今後は微小スケールでの数値モデルの構築に取り組む。具体的には、微小スケールでのモデルを導入するために連成した離散的な手法に、分子間の力を加えることで、実際にミクロスケールでの現象を取り込んでいく。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Numerical investigation of oscillatory thermocapillary flows under zero gravity in a circular liquid film with concave free surfaces2016

    • 著者名/発表者名
      T. Yamamoto, Y. Takagi, Y. Okano, and S. Dost
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 28 ページ: 032106

    • DOI

      10.1063/1.4943246

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Numerical investigation of Marangoni convection in a micro-scale environment2016

    • 著者名/発表者名
      T. Yamamoto and Y. Okano
    • 学会等名
      The First Pacific Rim Thermal Engineering Conference
    • 発表場所
      アメリカ
    • 年月日
      2016-03-13 – 2016-03-17
    • 国際学会
  • [学会発表] マイクロ流動場におけるMarangoni対流に関する数値解析2015

    • 著者名/発表者名
      山本卓也、岡野泰則
    • 学会等名
      熱工学コンファレンス2015
    • 発表場所
      大阪府吹田市
    • 年月日
      2015-10-24 – 2015-10-25
  • [学会発表] 円形液膜内振動Marangoni対流に対する数値解析2015

    • 著者名/発表者名
      山本卓也、高木洋平、岡野泰則
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2015
    • 発表場所
      東京都目黒区
    • 年月日
      2015-09-26 – 2015-09-28
  • [学会発表] Liquid film volume effect on unsteady thermocapillary flow due to hydrothermal wave in a thin circular liquid film2015

    • 著者名/発表者名
      T. Yamamoto, Y. Takagi, Y. Okano and S. Dost
    • 学会等名
      The joint conference of 6th International Symposium on Physical Sciences in Space (ISPS6) and 10th International Conference on Two-Phase Systems for Space and Ground Applications (ITTW2015)
    • 発表場所
      京都府京都市上京区
    • 年月日
      2015-09-14 – 2015-09-18
    • 国際学会
  • [学会発表] 温度差Marangoni対流を考慮したS-CLSVOF法の開発と検証2015

    • 著者名/発表者名
      山本卓也、岡野泰則
    • 学会等名
      化学工学会第47回秋季大会
    • 発表場所
      北海道札幌市
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-11
  • [学会発表] Verification and validation of thermocapillary flow instability in straight and deformed half-zone liquid bridges by OpenFOAM2015

    • 著者名/発表者名
      T. Yamamoto, Y. Takagi, Y. Okano and S. Dost
    • 学会等名
      10th OpenFOAM workshop
    • 発表場所
      アメリカ
    • 年月日
      2015-06-29 – 2015-07-02
    • 国際学会

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公開日: 2016-12-27  

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