複雑界面における蒸発液滴の包括的移動現象解析ツールの開発

开发复杂界面蒸发液滴运动的综合分析工具

基本信息

批准号：
21J14294
负责人：
杉本真
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Osaka Metropolitan University (2022)Osaka Prefecture University (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J14294/
关键词：
気液混相流格子ボルツマン法 Phase-fieldモデル蒸発

项目摘要

本研究では複雑流路内の気液二相流解析に適した手法である二相系格子ボルツマン法に対して，蒸発の影響を実装した．蒸発現象を解析可能な二相系格子ボルツマン法を開発した例は過去に報告されているが，従来手法では液相の蒸発速度を過剰に見積もる問題が報告されていた．本研究では，この問題の原因が格子ボルツマン法の時間発展方程式に含まれる誤差項にあると考え，誤差項を打ち消すための項を付加することでこの問題を解決した．加えて，相の移流拡散方程式として二階の偏微分方程式である保存形Allen-Cahn方程式を用いることで，従来手法で用いられるCahn-Hilliard方程式（四階偏微分方程式）を解くよりも低コストかつ安定的に高密度比解析が可能となった．また，本手法を平板上三次元蒸発液滴に適用し，親液性表面において液滴の接触線付近の蒸発速度が高くなる現象を再現することができた．以上の結果をPhysical Review Eに発表した．次に，温度場の影響を実装した二相系格子ボルツマン法の開発に着手した．しかしながら気液界面が変形・移動する解析において，界面付近で非物理的な温度分布が現れることがわかった．そこで本研究では温度分布を考慮した二相流解析の足掛かりとして，液相粘度の異なる複数の等温場解析を行うことで，温度場が液の濡れ広がりに及ぼす影響を疑似的に調査した．解析対象として水平角柱群への液の流下現象を選択し，液相粘度と角柱間隔が角柱表面の濡れ面積に及ぼす影響について調査した．その結果，レイノルズ数の平方根と角柱間隔の積を用いて濡れ面積を整理することで，統一的な傾向を見出すことができた．単層の角柱群の結果を混相流シンポジウムにて発表し，混相流学会誌「混相流」の精選論文特集号に選ばれた．また複層の角柱群の結果をICCHMTにて発表し，EntropyのSelected paperとして発表した．

在这项研究中，蒸发的效果是对两相晶格玻尔兹曼法实现的，这是一种适用于复杂流动通道中气体液体两相流量分析的方法。尽管过去曾报道过一个示例，即已经开发了一种能够分析蒸发现象的两相晶格玻尔兹曼方法，但常规方法报告了估计液相过度蒸发率的问题。在这项研究中，我们认为该问题的原因是晶格Boltzmann方法的时间演变方程中包含的错误项，并通过添加一个术语来取消错误项来解决此问题。此外，通过使用保守的allen-cahn方程，二阶偏微分方程作为相位的对流扩散方程，高密度比分析可以以较低的成本和更稳定的成本来求解与求解Cahn-Hilliard方程（四阶部分微分方程）相比，用于传统方法中。此外，该技术被应用于平板上的三维蒸发液滴，并且可以再现液滴表面上液滴接触线附近的蒸发速率的现象。上述结果发表在物理评论E中。接下来，我们开始开发一种两相晶格玻尔兹曼方法，该方法实现了温度场的影响。但是，在对气体界面的变形和运动分析中，发现非物理温度分布出现在界面附近。因此，在这项研究中，作为用于温度分布的两相流量分析的垫脚石，我们进行了多个等温场分析，具有不同的液相粘度，并模拟了对温度场对液体湿润散布的影响的研究。分析目标是选择流向水平棱镜基团的液体的现象，并研究了液相粘度和棱镜间距对棱柱表面湿区域的影响。结果，使用雷诺数的平方根和棱镜的间距组织润湿区域，并发现了统一的趋势。单层棱柱棱镜的结果在混合相流量研讨会上呈现，并在《混合相流量研讨会杂志》中被选为选定论文的特刊。在ICCHMT上也显示了多层棱柱形棱镜的结果，作为熵的选定论文。