Development of Hierarchical Computational Technique for Complex Flows in Surfactant/polymer Composites

表面活性剂/聚合物复合材料中复杂流动的分层计算技术的发展

基本信息

批准号：
22H01186
负责人：
川勝年洋
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

高分子と界面活性剤の混合溶液の複雑流動の階層計算の実現のために、マクロ流動を外部から制御する機構と、流体内部での自発的構造形成の機構を再現する計算アルゴリズムを開発した。複雑流体の階層計算には、我々が開発してきたMultiScale Simulation Platform for complex flows(MSSP)をもちいた。マクロ流動の制御の検証のためには、細管内のチャンネル流中に可動翼を取り付けた系を例として考え、この可動翼を動かすことで翼にはたらく力を計算した。MSSPのもつ移動境界の取り扱いの容易さを利用して、可動翼を流体中で回転させ、チャンネル流に対する稼働翼の迎え角を変化させた。チャンネル流を構成する複雑流体としては、高重合度高分子を表す線形粘弾性の連続体モデル及び、DNAのような強い伸び切り効果を持つ高分子鎖のモデルであるFENE粒子モデルを使用し、これらの結果をニュートン流体の場合と比較した。計算結果から、回転翼後方に生じる渦列の発生周波数と複雑流体中の高分子の緩和時間及び伸び切りの強さに強い相関があることが示された。この結果は、複雑流動の制御においてミクロとマクロの両方のスケールでの同時制御が必要であることを示しており、MSSPの機能拡張のための指針を得ることができた。上記の計算と並行して、界面活性剤ミセルを含む流体中での液滴の変形と界面活性剤の拡散過程の共同現象をシミュレートできるようにMSSPを拡張した。ミセルの変形による応力はダンベル集団を用いた分子モデルで表現し、界面活性剤の数密度場の拡散とカップルさせた。液滴の界面上での界面活性剤の数密度場の拡散により、液滴の界面張力が変動と流動変形が誘起される「マランゴニ効果」も再現できるようになった。このように、MSSPの界面活性剤系への拡張と大規模計算をおこない、定性的な確認及び動作テストをおこなった。

为了实现聚合物和表面活性剂混合溶液的复杂流的层次计算，我们开发了一种用于外部控制大型溶解度和一种计算算法的机制，该算法可以重现流体内结构自发形成的机制。对于复杂流体的层次计算，我们使用了我们已经开发的复杂流量（MSSP）的多尺度仿真平台。为了验证宏流量的控制，我们采用了将可移动刀片连接到狭窄管中的通道流的系统，例如，通过移动可移动刀片，计算了作用在机翼上的力。利用易于处理MSSP的移动边界的优势，在流体中旋转可移动刀片，以改变可移动叶片相对于通道流的攻击角度。组成通道流的复杂流体是代表高聚合物聚合物和Fene颗粒模型的线性粘弹性连续模型，它们是具有强烈伸长效应（例如DNA）的聚合物链的模型，例如DNA，并将结果与牛顿流体的情况进行了比较。计算结果表明，旋转叶片后面发生的涡旋序列的产生频率与复杂流体中聚合物的伸长时间和强度之间存在很强的相关性。该结果表明，控制复杂流程需要在微观和宏观尺度上同时控制，从而为增强MSSP提供了指导。与上述计算并行，扩展了MSSP，以模拟液滴变形的关节现象和在含有表面活性剂胶束的液体中表面活性剂的分散过程。胶束变形引起的应力使用哑铃种群在分子模型中表达，并与表面活性剂的数量密度场的扩散结合。表面活性剂在液滴界面上的数量密度电场的扩散也使得重现“ marangoni效应”，其中液滴变化和流动变形的界面张力。因此，将MSSP扩展到表面活性剂系统中并进行大规模计算，并进行了定性确认和操作测试。