Elucidation of membrane filtration mechanism of emulsions by multiphysics numerical analysis and optimal design of microporous structure

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本年度は、集束イオンビーム電子顕微鏡（FIB-SEM）を用いた画像解析により、市販の精密ろ過膜の微細構造の取得を行った後、この数値的に得られた微細構造に対して液液二相流（水中油滴型エマルション）を透過させる数値シミュレーション手法の構築を行った。液液二相の自由界面流れの計算には自由エネルギー型のフェーズフィールドモデルを用いた。また、膜微細構造が有する複雑な形状周りの流れや液滴群の濡れを計算するために、埋込境界法とYoungの法則に基づく自由エネルギー型濡れモデルの開発および検証を行った。構築した数値シミュレーションモデルは、複雑な形状を有する膜微細構造内の速度場、圧力場のみならず、分散相のダイナミクスや透過現象を妥当に表現できるとともに、阻止率や透過係数といった膜性能の評価も可能であることがわかった。一方、膜微細構造内における自由界面流れの高解像度の数値シミュレーションは、計算負荷が非常に大きいため、深層畳み込みニューラルネットワーク（CNN）による流れ場の予測技術の開発を行った。ここではまず第一段階として、画像解析により得た実際の膜微細構造ではなく、モデル化した2次元の膜微細構造内の速度場や圧力場の予測を試みた。その結果、CNNによる速度場や圧力場の予測値は、数値シミュレーションの計算結果と概ね良好に一致していたものの、固体表面における予測精度が若干低下することが明らかとなり、その結果膜性能の予測精度も若干低下することがわかった。