2023 Fiscal Year Annual Research Report
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22H03770
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
末包 哲也 東京工業大学, 工学院, 教授 (30262314)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松下 真太郎 東京工業大学, 工学院, 助教 (20883036)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Keywords | 二酸化炭素地下貯留 / 多孔質 / 混相流 / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二酸化炭素地下貯留（CCS）の主要なトラップメカニズムの解明が本研究の目的である．トラップメカニズムとして，物理トラップ，界面張力トラップ，溶解トラップ，鉱物化トラップが考えられているが，現象の理解は依然として定性的であり，これらのトラップメカニズムが発現する過程およびメカニズムの移行プロセスはほとんど理解されていない．本年度は，CO2と水のような非混和性二相流に発現する様々な流動モードの遷移について，空隙スケールにおける直接数値シミュレーションを行うことにより，エネルギー散逸の観点からモード遷移の物理的なメカニズムの解明を行った．キャピラリーフィンガリング域では，注入仕事は界面張力のエネルギーに変換され，ハイネスジャンプなどの空隙スケールの過渡現象により，粘性散逸される．ヴィスカスフィンガリング域では，注入仕事は流体の運動エネルギーに変換され，粘性散逸される．これらのトレードオフにより不安定モードの遷移が起こることが明らかになった．また，CO2注入時に発生する多孔質体の乾燥とそれに伴う塩分析出の影響について実験的研究を行った．ガス流量が小さいとき，多孔質内部では比較的一様な蒸発が起こり，拡散の影響も無視できないため，塩分蓄積は発生しない．流速が大きくなると，上流部の乾燥が早くなり，塩分析出によりキャピラリーバックフローが発生して塩分が顕著に堆積する．さらに流速が大きくなると，十分にキャピラリーバックフローが発生する前に乾燥が進み，塩分蓄積が低下する．定性的な塩分蓄積の挙動が明らかになった一方で，キャピラリーバックフローの強度に与える多孔質形状の影響などを今後検討する必要がある．多孔質内自然対流の開始時間に与える界面厚さの影響について実験装置の開発を行った．予備的な検討がおおよそ終了し，次年度から本格的な実験に着手する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
空隙スケールにおける直接数値シミュレーションにより流動様式のモード遷移について調査する研究計画を立案していたが，非平衡熱力学の考え方を導入すると平衡から遠い状態ではエントロピー生成率が最小化するように新しい秩序構造（散逸構造）が現れているのではないかとの着想に至った．直接数値シミュレーションを行うことはこのアプローチにより，エネルギー散逸を定量的に評価することに適しており，高精度数値シミュレーションと散逸構造定理を組み合わせることで，流動モードの遷移を説明することが可能になった．併せて，当該分野では数値シミュレーションにより得られる空隙スケールの物理量と体積平均化して得られる物理量の解釈について定説が確立していなかったが，ここ１，２年でこの分野において新しい理論構築が進み，これらのリソースを利用することが可能になった．この結果，数値シミュレーションの結果から，相対浸透係数をはじめとするマクロな物理量の推定が可能になり，研究を前倒して実施することができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
二酸化炭素地下貯留（CCS）の我が国の導入ロードマップでは非常に大規模な導入が必要であり，適地の選定等に困難があると考えられる．比較的高コストになる可能性はあるものの，適地選定が比較的容易で，漏洩や誘発地震の懸念がなく社会的な合意が得られやすい方法として逆浮力法CCSを提案する．本手法では，大深海海底下の非凝結層を貯留のターゲット層とするが，海水を含んだ非凝結層に液体CO2を注入した際の，砂の流動を避ける必要がある．そのために，本年度の研究では砂の流動開始条件を明らかにすることを目的とする．まず，簡単なヘレショウセルと呼ばれる二次元モデルを用いて実験を行い，砂の移流開始条件などについて明らかにする．既存研究や予備試験の結果，砂が完全に流動する摩擦フィンガリング，砂の層に割裂を生じるフラクチャリング，砂が移動しない浸透という３つの流動パターンが生じることがわかっており，流動の物理現象を明らかにすることによりそれぞれのモードの遷移を決めるパラメータを明らかにする．これらの基礎的な研究を踏まえて，３次元多孔質における実際の移流パターンをX線CTを用いた流動試験により明らかにする．単相流の場合は，細かい砂の流動による水道（みずみち）の形成はサフュージョンとよばれ，土木分野で研究の蓄積がある．一方で，CT装置を用いたような，実際の砂層内部の個々の粒子の流動についてはほとんど知見がない．本研究ではまず，単相流において粒子流動による水道形成過程を明らかにする．ついて，非混和系二相流の場合，界面の通過が粒子運動に大きく影響すると予想できる．本研究では単相流に引き続き，混和性二相流実験を行い，界面移動と粒子運動の関係を明らかにする．
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