| 研究課題/領域番号 |
19K04178
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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) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 流体工学 / 電気流体力学 / 表面張力 / 微小スケール / 濡れ性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，液体制御技術に利用可能な現象として注目されているエレクトロウェッティング（EW，電圧印加による濡れ性変化）について，その現象の本質を数値流体力学で表現するためのモデリングを行うとともに，制御に必要な知見を得る数値解析を行うことを目的とする．そもそもEW現象において本当に濡れ性が変化しているのか，それともそのように見えるだけなのかを問う疑問がある．この疑問を電気力学と流体力学を組み合わせた数値解析から解明し，EW現象の数値シミュレーションモデルを構築するのが目的である．
この目的を達成するため，今年度は，(1) 昨年に引き続き，差分法に基づく電気流体力学ソルバーを組み込む方法について検討を行った．その際，最終的に目標とする水・空気系のような，電気伝導率が何桁も異なる系では，妥当な静電気力の表現が困難であることが分かったので，静電気力の計算のために適切な計算方法を模索し，妥当な結果が得られるようになった．その結果を整理し，国際的な学術雑誌に投稿中である．
(2) (1)の差分法による計算の欠点を克服できる別の計算手法として，境界要素法に注目し，境界要素法による電気力学コードの開発を行った．昨年度は2次元版を検討したが，今年度は3次元版を開発した．当初の予定通り，Front-tracking法という混相流シミュレーションで用いる，気液界面を3角形で表現した要素を境界要素として，計算する手法を検討した．境界要素法の精度は，要素での積分方法に依存するが，適切な積分方法を検討し，電場中の液滴計算に対して，妥当な結果が得られるようになった．この結果は，夏の学会講演会で発表予定である．
(3) (2)の方法で，エレクトロウェッティングの計算を行うためには，固体の扱いを検討する必要がある．現在，その点について取り組み中である．
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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
境界要素法による電気力学コード開発に関する部分で，高精度計算のためには，想像以上に検討すべき項目が多く，１つ１つ丁寧に検証して進めているため，遅れぎみである．
コロナ禍の影響もあり，研究に費やす時間が削られたこともある．
しかし，ようやく，3次元Front-tracking法流体解析＋境界要素法コード（固体なし版）が完成したので，後は固体の表現さえできれば，エレクトロウェッティングの数値実験が可能となり，最終的な目標は問題なく達成できると考えている．
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| 今後の研究の推進方策 |
まずは，(1) 3次元Front-tracking＋境界要素法による電気流体力学計算コードを用いて，基礎的な検証を十分に行う．簡単な系（水・空気・電極）から始め，順に構成要素を増やし，最終的に絶縁層まで含めた実際のエレクトロウェッティング系を表現する．(2) 実験や半経験式によるシミュレーションが有効な範囲のシミュレーションを行い，液滴の移動速度等を比較することで，コードの検証を行う．(3) 広い電圧範囲で，固体・液体の電気的特性を変えた高解像度シミュレーションを行い，接触線近傍の，形状・帯電量・電気力・表面張力による圧力を丁寧に観察することでエレクトロウェッティング現象の本質を調べる．(4) シミュレーションだから可能となる，界面形状を固定するなどの仮想的な数値実験を行い，電気力による効果と，濡れ性変化による効果の対応を調べ，本質と見かけの現象の対応について考察を行う．(5)micro－TASや，ディスプレイ等，実用的な系の大規模シミュレーションを行い，流体物性（密度・粘度・表面張力）の違いによる電場への応答特性を調べ，実際の装置の設計・運転に有用な知見を得る．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
（理由）1万円に満たない残額で，必要な物には使用できたので，無理に使用しなかった．
（使用計画）2021年度はコロナ禍のため出張旅費を使用しなかったので，物品費に振り替えてPC購入に使用した．2021年度残額を次年度の物品費に加算して，記録メディアの購入に使用する．
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