2012 Fiscal Year Annual Research Report
量子性を考慮した水素流動現象解析のための分子動力学シミュレータの構築
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24360065
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
徳増 崇 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (10312662)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坪井 伸幸 九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40342620)
越 光男 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20133085)
津田 伸一 信州大学, 工学部, 講師 (00466244)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 液体水素 / 量子効果 / 分子動力学法 / 状態線図 |
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| Research Abstract |
本年度は、特にp-V-T（圧力‐体積‐温度）関係に対する水素分子の量子効果の影響について調べた．計算は幅広い温度-密度条件で行い，その結果を用いてKataokaの手法により状態線図を作成し，気液飽和線と臨界点を計算した．得られた臨界点により，状態線図を無次元化し原子核の量子効果の影響を調べた．その結果，量子効果が低温水素の熱物性に与える影響は，定量的にも定性的にも大きく，古典分子動力学法が低温水素の熱物性を再現できない要因は，量子効果である事が明確となった．次に量子性を考慮した液体水素の分子動力学シミュレータの開発を行った。具体的には、まず経路積分CMD法に基づいて水素の運動を定式化し、それをプログラムに落とし込んだ。経路積分CMD法では、P個のビーズからなるネックレスを一つの単原子分子とみなしている。各ビーズは調和ポテンシャルでつながれており、各ビーズは他の分子から粒子間相互ポテンシャルによって力を受ける。この各ビーズの受ける力をネックレスの質量中心に働く力として、各原子の運動方程式を解く。この手法において、本申請課題では、分子の配向による影響を考慮するため、ネックレスの質量中心を2つに分割し、その2つのネックレスの質量中心を拘束条件によって拘束することによって二原子性を表現し、分子配向を考慮することを試みた。拘束条件は、完全に質量中心を固定する条件と、原子間の揺らぎ効果を再現するために、調和振動子やモースポテンシャルで拘束する二つの拘束条件で検証を行った。その結果、系のエネルギーの保存が確認でき、また適切なポテンシャルを設定することによって水素の気液共存線を正確に再現することができるようになり、分子動力学シミュレータを適切に構築することが確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は、広範囲な水素のp-V-T関係を求める計算を完了し、また経路積分セントロイド分子動力学法のシミュレータが完成した。ただ、計算後のデータ解析を行う事ができなかったため、「やや遅れている」と考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は申請書で平成25年度以降の研究計画にあげた課題のうち、水素のナノスケール熱流動現象に対する量子効果の影響の解析を行い、水素の量子性が静的熱物性に与える影響についてその支配因子を特定する予定である。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
平成24年度に掲げていた課題のうち、分子動力学シミュレーションで得られたデータの解析および熱物性に多大な影響を与える量子効果の特定が未達であったため、その研究を進める必要が生じた。
次年度未使用額は平成25年度の請求額と合わせ、次の研究遂行に使用する予定である。まずHDDを購入して、前年度構築したシミュレータにより計算されたデータから様々な物理特性量を計算して記録する。おそらく追加計算を行う必要が生じるので、計算機使用量としても使用する。それらを解析することにより、熱物性に多大な影響を与える量子効果の支配要因を考察する。また、その結果を国内外の学会で発表するための旅費に使用する。
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