樹木導管を模擬するメゾスケール複雑境界内の二相流数値計算手法の開発

植物の水分輸送モデルとして広く受け入れられている Cohesion-Tension Theory (水の凝集力・張力説、以下 CTT ) は、水で満たされた1本の細管の下端に根圧としての浸透圧、上端に葉からの蒸散による張力が作用し、水の凝集力を介した張力の伝達により水分が根から葉まで運ばれるというものであるが、未だ解明されていない部分が残っている。本研究では、二相系格子ボルツマンBGKモデルによるフェイズフィールド法を発展させた数値シミュレーションにより、CTT の検証と、理論の工学デバイスへの応用を目指している。これまでに、稲室らが2004年に発表した二相系格子ボルツマン法により、対象となる水のような気液の密度差の大きい二相流を扱うことのできるプログラムを作成し、複雑な境界条件への対応できるよう外挿法による境界計算を導入した。また、気液境界の粘性係数の計算方法をHeらの方法に変更して、気液の接続を滑らかにした。さらに、昨年度までに、固体表面上の濡れ性を考慮するために、Yanらの方法を追加し、数値シミュレーションで垂直平板上の単一気泡の挙動を計算することができるようになっている。今年度は、複雑な境界条件に対応するために、重力方向に対して傾斜のついた平面上にある気泡挙動の数値シミュレーションを行い、接触角が小さい場合、気泡は斜面から離脱するように上昇し、接触角が大きい場合は、気泡が斜面に沿って上昇する結果を得て、実際の物理現象に対して矛盾のないことを示すことができた。一方で、現在の3D15VとSRTのモデルでは、計算ステップが進むにつれ、平衡分布関数の値が不安定になる現象を回避することが困難で、3D27VモデルやMRTの導入や稲室らが提案してるLKSへの変更など、プログラムの改善が必要であることがわかってきた。

植物の水分輸送モデルとして広く受け入れられている Cohesion-Tension Theory (水の凝集力・張力説、以下 CTT ) は、水で満たされた1本の細管の下端に根圧としての浸透圧、上端に葉からの蒸散による張力が作用し、水の凝集力を介した張力の伝達により水分が根から葉まで運ばれるというものであるが、未だ解明されていない部分が残っている。本研究では、二相系格子ボルツマンBGKモデルによるフェイズフィールド法を発展させた数値シミュレーションにより、CTT の検証と、理論の工学デバイスへの応用を目指している。これまでに、稲室らが2004年に発表した二相系格子ボルツマン法により、対象となる水のような気液の密度差の大きい二相流を扱うことのできるプログラムを作成し、複雑な境界条件への対応できるよう外挿法による境界計算を導入した。また、気液境界の粘性係数の計算方法をHeらの方法に変更して、気液の接続を滑らかにした。さらに、昨年度までに、固体表面上の濡れ性を考慮するために、Yanらの方法を追加し、数値シミュレーションで垂直平板上の単一気泡の挙動を計算することができるようになっている。今年度は、複雑な境界条件に対応するために、重力方向に対して傾斜のついた平面上にある気泡挙動の数値シミュレーションを行い、接触角が小さい場合、気泡は斜面から離脱するように上昇し、接触角が大きい場合は、気泡が斜面に沿って上昇する結果を得て、実際の物理現象に対して矛盾のないことを示すことができた。一方で、現在の3D15VとSRTのモデルでは、計算ステップが進むにつれ、平衡分布関数の値が不安定になる現象を回避することが困難で、3D27VモデルやMRTの導入や稲室らが提案してるLKSへの変更など、プログラムの改善が必要であることがわかってきた。