界面に生じる流体現象の非平衡分子動力学-連続体力学結合モデルによる解明

本研究では主に計算機による数値シミュレーションを行ない、界面現象解明のための力学モデルの構築を行なった。数値シミュレーションには、粒子系に対する非平衡分子動力学(NEMD)法およびsmoothed particle hydrodynamics(SPH)法を適用した。第二年度である本年度、実行した詳細テーマは以下の通りである。それぞれに対して、対外的な研究発表を行っている。(1)固体壁の影響を強く受けるナノ空間での分子流動シミュレーション(2)粒子モデルヘの適用を見据えたMD法への多重解像度手法の適用(3)SPH法の基礎的検討および対話的シミュレーション方法の検討(1)では、物質拡散のシミュレーションに従来用いられてきた、DCV-GCMD(dual-control volume grand canonical molecular dynamics)法を数十ナノメートル径以内のナノ空間での流動シミュレーションに適用することを試みた。昨年度評価した、確率的流入境界条件および自由流出境界条件による方法よりも、これは統計力学的に厳密な方法であり、分子流動を流れ場として扱うための境界条件としてはかなり有望であることが理解された。また、応用としてカーボンナノチューブ内での液体分子の流動についても考察し、壁面との相互作用で液体分子が強い拘束を受けながらも流動する可能性が示唆された。(本報告書項目11、雑誌論文の3,4)(2)では、数十個から数千個の原子からなる原子ナノクラスター同士の相互作用過程に対して、クラスター全体の剛体運動の力学方程式と、接触領域での通常のMD法に用いられる原子間運動方程式と、を同時に解く、多重解像度MD法を提案した。MD法のみによる結果と比較し、運動量・角運動量保存などを考慮することで適切な精度を維持できることを確認した。これは、今年度投稿論文として一定の評価を得た。(本報告書項目11、雑誌論文の1,2,6)(3)では、シミュレーション実行時に、対話的に計算条件・境界条件・表示条件の変更を行う対話的SPHシミュレーションを提案し、以前から研究代表者が提案してきている対話型MDシミュレーションと同様なシミュレーション手法が可能であることがわかった。但し、移動部分と流体の界面や自由表面などの密度の不連続性がある領域をどのように制度良く扱うべきかについてはまだ議論の余地がある。(本報告書項目11、雑誌論文の5)二年間の研究活動の結果、当初の目的である、連続体力学的手法と非平衡分子動力学との結合解法までにはまだ一歩手前に留まるが、それを成すための準備としての十分な成果が得られたと考えている。

本研究では主に計算機による数値シミュレーションを行ない、界面現象解明のための力学モデルの構築を行なった。数値シミュレーションには、粒子系に対する非平衡分子動力学(NEMD)法およびsmoothed particle hydrodynamics(SPH)法を適用した。第二年度である本年度、実行した詳細テーマは以下の通りである。それぞれに対して、対外的な研究発表を行っている。(1)固体壁の影響を強く受けるナノ空間での分子流動シミュレーション(2)粒子モデルヘの適用を見据えたMD法への多重解像度手法の適用(3)SPH法の基礎的検討および対話的シミュレーション方法の検討(1)では、物質拡散のシミュレーションに従来用いられてきた、DCV-GCMD(dual-control volume grand canonical molecular dynamics)法を数十ナノメートル径以内のナノ空間での流動シミュレーションに適用することを試みた。昨年度評価した、確率的流入境界条件および自由流出境界条件による方法よりも、これは統計力学的に厳密な方法であり、分子流動を流れ場として扱うための境界条件としてはかなり有望であることが理解された。また、応用としてカーボンナノチューブ内での液体分子の流動についても考察し、壁面との相互作用で液体分子が強い拘束を受けながらも流動する可能性が示唆された。(本報告書項目11、雑誌論文の3,4)(2)では、数十個から数千個の原子からなる原子ナノクラスター同士の相互作用過程に対して、クラスター全体の剛体運動の力学方程式と、接触領域での通常のMD法に用いられる原子間運動方程式と、を同時に解く、多重解像度MD法を提案した。MD法のみによる結果と比較し、運動量・角運動量保存などを考慮することで適切な精度を維持できることを確認した。これは、今年度投稿論文として一定の評価を得た。(本報告書項目11、雑誌論文の1,2,6)(3)では、シミュレーション実行時に、対話的に計算条件・境界条件・表示条件の変更を行う対話的SPHシミュレーションを提案し、以前から研究代表者が提案してきている対話型MDシミュレーションと同様なシミュレーション手法が可能であることがわかった。但し、移動部分と流体の界面や自由表面などの密度の不連続性がある領域をどのように制度良く扱うべきかについてはまだ議論の余地がある。(本報告書項目11、雑誌論文の5)二年間の研究活動の結果、当初の目的である、連続体力学的手法と非平衡分子動力学との結合解法までにはまだ一歩手前に留まるが、それを成すための準備としての十分な成果が得られたと考えている。