複雑構造周りにおける液滴蒸発後の溶質膜形状制御因子の解明

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本研究の目的は，1)固気液三相の温度場，気相中の溶媒濃度場，液相中の溶質濃度場，および液相の蒸発の全てを同時に解析可能な，汎用的気液混相流解析ツールの開発，2)開発した手法を用いた複雑構造周りにおける液滴蒸発後に形成される三次元溶質膜形状の制御因子の解明の二点である．2022年度には目的1)のうち，界面の大変形を伴い，かつ気液間の熱容量比が大きい気液二相流現象を取り扱うことが可能な，気液二相熱流動シミュレーション手法の開発を行った．本研究では，複雑構造周りにおける界面の大変形の計算に適した二相系格子ボルツマン法をベースとして手法開発を行った．開発した手法の計算精度を検証するために，周囲の気体と等速で運動する液滴のシミュレーションを行った．このとき，気液の密度比が大きい場合には，界面周りの速度場に大きな誤差が生じ，加えて熱容量比が大きい場合には，液滴周りで非物理的な温度分布を示すことがわかった．この問題は計算スキームがガリレイ不変性を満足していないことに起因すると考え，高次精度でガリレイ不変性を満足するキュムラント格子ボルツマン法を実装することで，問題の解決を図った．これにより，液滴周りの非物理的な温度分布の発生を抑制することができた．また，表面張力を考慮した計算では，表面張力の計算誤差に起因して，気液界面周りの速度誤差も大きくなった．そこで，従来手法において用いられる複数の表面張力モデルについて，計算精度の評価を行い，生じる速度誤差の小さい表面張力モデルならびに差分スキームの提案を行った．