| 研究課題/領域番号 |
20K20972
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
竹内 伸太郎 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (50372628)
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| 研究分担者 |
大西 領 東京工業大学, その他, 准教授 (30414361)
田川 義之 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70700011)
梶島 岳夫 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30185772)
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| 研究期間 (年度) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| キーワード | 潤滑 / 非平衡 / 粒子流れ / 液滴浮遊 |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では、流体中に分散的に存在する界面が近接する際に発生する潤滑が、流れ場全体に及ぶような影響を与えることを、数値計算・実験を通して解析し、代表者が提案した拡張潤滑モデルを通して理解する。
2020年度は、膜状構造をもつ粒子を含む流れを意識して、潤滑が膜透過に与える影響について基礎的な検討を進め、上述の潤滑モデルに基づいて高次の透過モデルを構築した。
まず、狭い流路内で溶媒を透過する膜に流路壁と相対速度を与える問題を設定し、高次の透過流束成分を書き下した。その結果透過係数（膜抵抗の逆数）が小さい場合は非常によい透過量の予想を与えることを確認したが、透過係数が大きい場合（無次元透過係数で 0.01 以上）は潤滑モデルに修正を加える必要があることが判明し、その一形式を示した。直接数値計算によるシミュレーション結果と比較した結果、無次元透過係数 1.0 程度まで適用できることがわかり、潤滑が非衡輸送現象に与える影響の一端を明らかにした。
さらに拡張潤滑モデルを液滴浮上の問題に適用した。一定速度で移動する壁面上に液滴を滴下した場合、液滴底面と壁面間に空気薄膜が形成され、液滴に働く重力と同程度の圧力が発生する。拡張潤滑モデルを適用することで、圧力算出精度が大幅に向上するとともに、従来の潤滑モデルで不可避であった任意性を排除できる可能性を示した。
また粒子混相流における実用的な潤滑アルゴリズムの構築として、複雑形状を有した物体どうしの間隙流れに適用できる実用的な潤滑力補正法を提案した。提案した手法を接近する２次元円柱どうしの低解像度計算に適用し、計算格子の1/10の距離にまで接近した際に働く潤滑層反発力を算出した。その結果、提案手法を適用することにより計算誤差を10%以下に抑えられることを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
潤滑が支配的な場における膜透過を記述する高次モデルは、透過係数が大きい時に発散する傾向を示すことがわかり、原因を理解するのに多少の時間を要したが、問題を回避するモデリング法を見出した。また膜と流体格子の位置関係で数値計算が不安定になる問題があったが、離散化法の工夫により数値計算の安定性を改善することができた。
また実用的な潤滑解析手法の中で、潤滑力補正のためのフィルタを導入することが有効であることがわかった。このフィルタ導入により、独自性だけでなく補正精度の大幅な向上を得た。
移動壁面と浮遊液滴の間に存在する空気薄膜流れに対して拡張潤滑モデルを適用し、算出した圧力と液滴の重力を比較した結果、広範囲の実験条件（液滴直径1-3mm，壁面速度1-3 m/s）において算出圧力が妥当であることが確認でき、より幅広い条件への適用に手ごたえを感じている。
以上より、研究はおおむね順調に進められている。
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| 今後の研究の推進方策 |
拡張潤滑モデルを様々な境界条件（例：滑りを有する界面）へ拡張する予定である。また、潤滑が支配的な場における溶媒・溶質の膜透過モデリング、および熱の輸送に関するモデリングを進める。
提案した潤滑解析手法の粒子流れへの適用を進めるにあたり、補正手法の実用性をさらに確かめるために、適用範囲の拡大を進める予定である。
また、拡張潤滑モデルにより算出した空気薄膜内の圧力が妥当であることを用いて、移動壁面と浮遊液滴の間に存在する空気薄膜の厚さを算出するアルゴリズムを開発することに着手した。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
査読を受けている数編の論文についてオープンアクセス出版費（Article Processing Charge）に宛てるつもりであったが審査に時間がかかっている。2021年度分として請求した助成金と合わせて30～35万円／編の支払いを見込んでいる。
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