2017 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis of rarefied gas flows induced by liquid evaporation from nanoscale pore arrays and its application to cooling devices
| Project/Area Number |
17H03172
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
杵淵 郁也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30456165)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉本 勇太 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90772137)
堀 琢磨 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任研究員 (50791513)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 分子流体力学 / 希薄気体流 / 気液界面 / クヌッセン層 / 高熱流束除熱 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 液面から蒸発する気体分子の速度分布計測
真空雰囲気中においてマイクロメートルサイズの水滴を保持する機構を試作し，水滴を安定的に保持するための条件出しを行った．具体的には，環境制御型走査電子顕微鏡チャンバー内に先端径が10マイクロメートル程度のガラスキャピラリーチューブを導入し，シリンジポンプまたは飽和蒸気圧を利用した押し込み機構により脱気水を供給することでキャピラリーチューブ先端に液滴を生成し，その形状を観察した．キャピラリーチューブ先端の形状や濡れ性，純水の供給圧力が液滴保持の安定性に与える影響を評価した．その結果，液滴の保持は確認できたが，蒸発により水に含まれる不純物が液面に蓄積してしまい，長時間の液滴保持は困難であることが確認された．対策として，金属薄板に加工されたピンホールを利用した水滴保持機構を新たに検討することにした．
(2) 液面近傍のナノ・マイクロスケール非平衡気体流れの数値解析
液面からの蒸発により生じる非平衡気体流れ（クヌッセン層）をモンテカルロ法で取り扱うためには，流れの密度，温度を固定せずに速度を制御する境界条件を実現するアルゴリズムが必要となる．これまで一般的に用いられてきたモンテカルロ直接法では，この境界条件を実現するアルゴリズムが知られているが，分散低減型モンテカルロ法にそのまま適用することはできない．そこで本研究では，分散低減型モンテカルロ法で流れの速度を制御するためのアルゴリズムを開発した．また，分散低減型モンテカルロ法において，衝突過程の非線形成分を無視した場合でも，マッハ数が0.5以下であれば流れを十分な精度で再現できることも明らかになった．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
液面から蒸発する気体分子の速度分布計測系の構築が遅れている．これは，長時間にわたって継続して生じる蒸発により，純水中に含まれるわずかな不純物が液面に蓄積することへの対策が必要になったことが理由である．今年度得られた知見から，問題を解決する方針は立っており，当初の計画からは遅れているものの，速度分布計測系の構築は可能であると判断している．
一方で，液面近傍のナノ・マイクロスケール非平衡気体流れの数値解析に関しては，当初計画通りの成果を上げることができた．
以上より総合的に判断して，現在までの進捗状況の区分を「やや遅れている」とした．
|
| Strategy for Future Research Activity |
(1) 液面から蒸発する気体分子の速度分布計測
蒸発に伴って純水中に含まれるわずかな不純物が水滴表面に蓄積してしまう問題を解決するために，当初構想していたガラスキャピラリーチューブを用いた機構の代わりに，薄板に加工されたピンホールを利用した機構を用いて水滴を保持する．新しい機構を用いて水滴を安定して保持できる条件を見出した後に，分子線生成部を製作し，既設の超高真空実験装置に設置する．構築した装置を用いて，液面から蒸発する水分子の飛行時間分布計測を行う．
(2) 液面近傍のナノ・マイクロスケール非平衡気体流れの数値解析
これまでに構築した手法を活かすことで，二次元スリット状細孔および三次元細孔表面からの蒸発を解析し，細孔形状と蒸発により生じる流れの関係を整理する．また，分散低減型モンテカルロ法で多原子分子を取り扱う手法を構築する．
|
