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

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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。