界面活性剤と流体の分子スケールでの相互作用から探る抵抗低減の物理機構

本年度は，本研究課題の目標達成に向けて2つの研究テーマに取り組んだ．1つ目は，一様せん断流中でのひも状ミセルの配向である．一様せん断流中のひも状ミセルは，せん断速度の増加とともに流れ方向へと配向することはよく知られていた．しかし，一様せん断流によるミセルの分裂促進が配向に及ぼす影響を定量的に評価した研究はこれまで無かった．そこで，本研究では，昨年度明らかにした一様せん断流中のミセルの分裂の知見に基づいて，分裂が配向に及ぼす影響を調査した．重要な点は，その配向性質がよく知られた高分子と比較することで，ひも状ミセル特有の分裂の影響を明らかにした点である．昨年度の研究成果により，ひも状ミセルの最長緩和時間の評価が可能になったことで，特徴時間の異なる高分子とひも状ミセルの適切な比較が実現した．その結果，ミセル特有の流れによる分裂促進が始まると，ひも状ミセルの配向は高分子に比べて抑制されることがわかった．2つ目は，高分子を模したダンベルモデルの乱流中におけるふるまいの調査である．直接数値シミュレーションにより得られた乱流場から速度勾配テンソルの時系列を取得し，そのデータを用いてダンベルモデルのブラウン動力学シミュレーションを実行した．本研究では，乱流中のダンベルモデルの伸長と配向に注目した解析を行った．特に，乱流中に存在する大小様々な渦の階層構造に着目した点が本研究の特色である．ダンベルは乱流中の渦によってある方向へと配向したり伸長したりするが，どの大きさの渦の影響が支配的かを，流れ場をスケール分解することで明らかにした．具体的には，ダンベルの緩和時間が小さい場合には，ダンベルは乱流中の最小渦に由来する方向へと配向するのに対し，緩和時間が大きな場合には，最小渦よりも1つ大きな渦に由来する方向へと配向することがわかった．

本年度は，本研究課題の目標達成に向けて2つの研究テーマに取り組んだ．1つ目は，一様せん断流中でのひも状ミセルの配向である．一様せん断流中のひも状ミセルは，せん断速度の増加とともに流れ方向へと配向することはよく知られていた．しかし，一様せん断流によるミセルの分裂促進が配向に及ぼす影響を定量的に評価した研究はこれまで無かった．そこで，本研究では，昨年度明らかにした一様せん断流中のミセルの分裂の知見に基づいて，分裂が配向に及ぼす影響を調査した．重要な点は，その配向性質がよく知られた高分子と比較することで，ひも状ミセル特有の分裂の影響を明らかにした点である．昨年度の研究成果により，ひも状ミセルの最長緩和時間の評価が可能になったことで，特徴時間の異なる高分子とひも状ミセルの適切な比較が実現した．その結果，ミセル特有の流れによる分裂促進が始まると，ひも状ミセルの配向は高分子に比べて抑制されることがわかった．2つ目は，高分子を模したダンベルモデルの乱流中におけるふるまいの調査である．直接数値シミュレーションにより得られた乱流場から速度勾配テンソルの時系列を取得し，そのデータを用いてダンベルモデルのブラウン動力学シミュレーションを実行した．本研究では，乱流中のダンベルモデルの伸長と配向に注目した解析を行った．特に，乱流中に存在する大小様々な渦の階層構造に着目した点が本研究の特色である．ダンベルは乱流中の渦によってある方向へと配向したり伸長したりするが，どの大きさの渦の影響が支配的かを，流れ場をスケール分解することで明らかにした．具体的には，ダンベルの緩和時間が小さい場合には，ダンベルは乱流中の最小渦に由来する方向へと配向するのに対し，緩和時間が大きな場合には，最小渦よりも1つ大きな渦に由来する方向へと配向することがわかった．