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2018 年度 実施状況報告書

キャビテーション初生解析用非平衡MD・気泡力学融合モデルのための蒸発係数決定

研究課題

研究課題/領域番号 18K03959
研究機関群馬工業高等専門学校

研究代表者

矢口 久雄  群馬工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (20568521)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワードキャビテーション / ファインバブル / 気液界面 / 表面張力 / 分子動力学
研究実績の概要

本研究は,液相中でキャビテーションの原因となる気泡核が初生に至るまでの気液界面における質量・運動量・エネルギーの輸送速度にかかわる蒸発係数を解明することを目的としている.初生に至るまでの気泡核界面では,連続体力学が無力であることはもとより,その直径が分子平均自由行程よりもはるかに小さいため分子気体力学も適用できず,個々の分子運動を扱うことのできる分子動力学法のみが有効な解析手段となる.本年度は,Lennard-Jones流体を対象物質としてナノサイズの気泡核を分子動力学シミュレーションで再現し,気液平衡状態における蒸気密度や表面張力の定量的評価に取り組んだ.系の上下の分子運動を凍結して上部の壁面をピストンのように動かし,さらに,系の中心部分に局所的な温度制御を行う独自のシミュレーション手法を開発することにより,系の中心に任意のサイズの気泡核を安定的に生成するとともに,ビリアル定理では値が収束しにくい圧力の瞬時値を上壁面にかかる力から評価することで,従来よりも高い精度で系内部の圧力コントロールに成功した.この手法を用いて,小さな気泡核ほど蒸気密度が低下するKelvin効果を気泡核内に確認し,蒸気密度と気泡核サイズとの関係についてデータを取得した.表面張力については,研究代表者が過去にナノ液滴に対して開発した手法を拡張して定量的評価に取り組んでいるが,気相内の分子数が極めて少ないことと検査体積が内側ほど小さいことが影響し,十分な精度での評価には至っておらず,現在,評価手法の改良に取り組んでいる.なお,これらの取り組みと並行して,キャビテーション初生や微小流れに関する基礎的な理論的検討も進めており,表面張力などの基礎物性がキャビテーション初生に大きな役割を担うことなどを示している.

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

実施計画課題に関わる基礎的な検討をおおむね順調に終え,今後の研究推進に必要な知見が得られたため.

今後の研究の推進方策

引き続き,ナノサイズの気泡の気液界面における表面張力の定量的評価に取り組むとともに,前年度の分子動力学シミュレーションによって得られた気泡核の気液平衡状態の系の微視的データ(分子の位置と速度)を初期条件として,気泡核中心に向けた真空蒸発シミュレーションを実行する.真空蒸発シミュレーションでは気相から液相に向かう分子の質量流束をゼロにする必要がある.これは,液相側から気相側に向かう分子を気相側で消去する真空境界条件を与えることにより実現されるが,本研究で取り扱う気泡核が非常に小さいことから,真空境界条件を与える適切な位置についても十分な検討を要する必要がある.また,蒸発にともなって液相側の分子が減少するため,その分子を液相側に再注入する適切な手法を開発する.このようにして実行した真空蒸発シミュレーションによって液相からの自発的な蒸発に対応する蒸発質量流束を観測し,蒸発係数を決定するとともに速度分布関数についても知見を得る.

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Low Reynolds number flows in a microscopic and tapered tube with a permeability2019

    • 著者名/発表者名
      Egashira R、Fujikawa T、Yaguchi H、Fujikawa S
    • 雑誌名

      Fluid Dynamics Research

      巻: 51 ページ: 025504~025504

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/1873-7005/aaed57

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 有限時間持続する張力下とその後の大気圧下でのキャビテーション初生のパラメータ分類と予測法2019

    • 著者名/発表者名
      藤川俊秀,江頭竜,矢口久雄,藤川重雄
    • 雑誌名

      ターボ機械

      巻: 47(2) ページ: pp. 116-124

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Influence of liquid-solid intermolecular force on levitation of impacting nanodroplet2019

    • 著者名/発表者名
      Hirofumi Tabe, Kazumichi Kobayashi, Hisao Yaguchi, Hiroyuki Fujii, Masao Watanabe
    • 雑誌名

      Heat and Mass Transfer

      巻: 55(4) ページ: pp. 993-1003

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 群馬高専ものづくり人材育成講座における機械加工シミュレーションの活用2019

    • 著者名/発表者名
      矢口久雄,岡本邦夫,浅見博,須永修司,金子忠夫
    • 雑誌名

      群馬高専レビュー

      巻: 37 ページ: pp. 103-108

  • [雑誌論文] 機械加工シミュレーションを用いた多軸加工教育の展開2019

    • 著者名/発表者名
      岡本邦夫,矢口久雄,浅見博,須永修司,金子忠夫
    • 雑誌名

      群馬高専レビュー

      巻: 37 ページ: pp. 109-114

  • [雑誌論文] Low Reynolds number flows in a microscopic and tapered tube with a permeability2018

    • 著者名/発表者名
      Ryu Egashira, Toshihide Fujikawa, Hisao Yaguchi, Shigeo Fujikawa
    • 雑誌名

      Fluid Dynamics Research

      巻: 50(3) ページ: 035502

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/1873-7005/aab578

    • 査読あり
  • [学会発表] 拡張されたビリアル定理を用いた気液界面の接線方向圧力分布の計算2018

    • 著者名/発表者名
      矢口久雄,大島伸行
    • 学会等名
      第32回数値流体力学シンポジウム
  • [学会発表] 有限時間持続する負圧下でのキャビテーション初生のパラメータ分類と予測法2018

    • 著者名/発表者名
      藤川俊秀,江頭 竜,矢口久雄,藤川重雄
    • 学会等名
      日本学術会議第19回キャビテーションシンポジウム
  • [学会発表] 微小テーパ円管の低レイノルズ数流れの理論,日本機械学会2018年次大会講演会2018

    • 著者名/発表者名
      矢口久雄,藤川俊秀,江頭竜,藤川重雄
    • 学会等名
      日本機械学会2018年次大会講演会
  • [学会発表] Influence of surface roughness of high temperature wall on levitation of impacting droplet based on molecular dynamics simulation2018

    • 著者名/発表者名
      Hirofumi Tabe, Kazumichi Kobayashi, Hisao Yaguchi, Hiroyuki Fujii, Masao Watanabe
    • 学会等名
      Surface Wettability Effects on Phase Change Phenomena (SWEP) workshop
    • 国際学会
  • [学会発表] PIV計測とCFD解析による輸送用車両車体まわりの流れ場の可視化2018

    • 著者名/発表者名
      柳田佳輝,奥村圭介,藤川俊秀,白岩寛之,矢口久雄
    • 学会等名
      日本実験力学会2018年度年次講演会
  • [学会発表] 多軸加工機における機械シミュレーション教育への試み2018

    • 著者名/発表者名
      岡本邦夫,矢口久雄,浅見博,金子忠夫
    • 学会等名
      平成31年度全国高専フォーラム

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公開日: 2019-12-27  

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