Development of a gas-liquid-solid multiphase flow simulation method for evaluation of micro-fluidic devices

开发用于评估微流体装置的气-液-固多相流模拟方法

• 批准号: 20K04297
• 负责人: 高田 尚樹
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K04297/
• 关键词: 混相流; 数値流体力学; マイクロフルイディクス; 液滴; 界面; 濡れ性; マルチフェーズフィールドモデル; 格子ボルツマン法

国内外の生命・医療・化学等様々な理工学分野では現在、気相・液相・固相が複数種類混在して動く混相流を微小空間で制御・利用する多種多様なマイクロ流体デバイスやプロセスの研究・開発が進められている。それらの機能評価と最適設計に不可欠な混相流現象の解明・予測には数値シミュレーションが有用であるが、従来手法では高精度・高効率な計算が難しい。この困難を克服するため、本研究では、3相以上の微小な固気液混相流の革新的計算手法の開発に取り組む。具体的には、マルチフェーズフィールドモデル（MPFM）を導入して混相界面を自律的に構築し、流体力学方程式と保存形Allen-Cahn（CAC）界面移流方程式の計算スキームとして格子ボルツマン法（LBM）を採用して簡易で高効率なシミュレーション実現を目指す。本年度は次の成果を得た。（１）本計算手法で、3次元液液二相系の静止液中で外力を受けて固体表面上を動く液滴の体積が高精度に保存されることを確認した。（２）液液二相系で固体表面に付着する液滴の3次元形状を求め、液滴の静的接触角に対する3次元凹凸表面構造の影響を調べた。シミュレーションの接触角は、Cassie-Baxterモデルの特性に一致するとともに、液滴実験の文献データと定性的に良く一致することを確認した。（３）3次元構造を持つ固体表面上の液液二相系微小液滴挙動のシミュレーションで、矩形ピラー配列や並列溝構造が液滴に与える影響は実験の観察結果と定性的に一致した。（４）CAC式に関して得た知見を基に従来のCahn-Hilliard（CH）式を修正して保存性が向上する計算コードを構築し、撥液性基板上の気液二相系マイクロ液滴挙動をシミュレーションし、マイクロ液滴レーザーの発振機構を解明するとともに、改良CH式ベースの計算手法もCAC式ベースの手法と同様にマイクロ液滴問題に適用可能であることを確認した。

Domestic and foreign life, medical, chemical and other fields of science and technology, including the present, gas phase, liquid phase, solid phase, multiple types of mixed flow, control and utilization of small space, multiple types of fluid, research and development. The function evaluation and optimum design of the system are very difficult to solve and predict the mixed phase flow phenomenon. In order to overcome these difficulties, this paper presents a new method for calculating the micro solid-liquid mixed flow with more than 3 phases. The concrete method is MPFM, which is introduced into the construction of the self-regulation of the mixed phase interface. The hydrodynamic equation and the preservation form Allen-Cahn (CAC) interface flow equation are calculated by LBM, which is used to show the simple and high efficiency of the system. This year's results were achieved for the second time. (1) This calculation method confirms that the volume of moving droplets on the solid surface is preserved with high accuracy when external force is applied to the static liquid of the three-dimensional liquid-liquid two-phase system. (2) Liquid-liquid two-phase system to pay for the three-dimensional shape of the liquid drop, the static contact angle of the liquid drop on the three-dimensional uneven surface structure of the adjustment. The contact angle of the solution is consistent with that of the Cassie-Baxter solution, and it is consistent with that of the literature. (3) Three-dimensional structure is consistent with liquid-liquid two-phase system on solid surface. (4) CAC formula is related to the knowledge base, the original Cahn-Hilliard (CH) formula is modified, the preservation property is improved, the calculation method is improved, and the calculation method of CAC formula is improved.

项目成果

Investigation of Multi-phase-field Model without Lagrange Multiplier for Multiphase Flow Simulation

多相流模拟中无拉格朗日乘子的多相场模型研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Aihara Shintaro;Takada Naoki;Takaki Tomohiro
• 通讯作者: Takaki Tomohiro

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Pneumatically Tunable Droplet Microlaser

气动可调谐液滴微型激光器

• DOI: 10.1002/lpor.202200874
• 发表时间: 2023
• 期刊: Laser & Photonics Reviews
• 影响因子: 11
• 作者: Yamagishi Hiroshi;Fujita Keitaro;Miyagawa Junnosuke;Mikami Yuya;Yoshioka Hiroaki;Oki Yuji;Takada Naoki;Baba Soumei;Saito Shimpei;Someya Satoshi;Lin Zhan‐Hong;Huang Jer‐Shing;Yamamoto Yohei
• 通讯作者: Yamamoto Yohei

Microfluidic Multiphase Flow Simulation Using an Advanced Diffuse-interface Model-based Method

使用先进的基于扩散界面模型的方法进行微流体多相流模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: Takada Naoki;Mogi Katsuo;Takaki Tomohiro;Aihara Shintaro;Someya Satoshi;Baba Soumei;Saito Shimpei
• 通讯作者: Saito Shimpei