ブラウン運動学を用いた非等方性流体の流動解析

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高分子溶液・融液はニュートン流体には見られない特異な流れ挙動を示すことが多い.これまで,このような粘弾性流体特有の流れは,連続体的立場からせん断流動特性(非ニュートン粘性,第1,第2法線応力差など),伸長流動特性(定常伸長粘度,非定常伸長粘度など)及び動的特性により説明されてきた.これらの巨視的な流動特性は,分子鎖の形態,配列,分布の複雑な変化,並びに分子間の相互干渉といった微視的な現象によるものと考えられる.従って,連続体の挙動として観察される巨視的現象と微視的スケールの分子の運動を結び付けて考えることが不可欠となる.本研究の目的は,粘弾性流体特有の流れを連続体力学の立場から解析する代わりに,分子運動学を基礎として分子鎖の運動から解析することである.本研究では,側鎖を持たない分子の希薄溶液を対象とし,それを溶媒がニュートン流体のFENE(finitely extensible nonlinear elastic)ダンベルの希薄分散系でモデル化する.そして,ブラウン運動学シミュレーションによりビーズの動きを計算しダンベルの長さと向きを求め,溶液内の応力状態を計算する.本年度の研究成果は以下の通りである.分子量の分布と緩和時間の分布が流動特性に及ぼす影響を次の二つの項目について調べた.(1)定常なせん断及び伸長流動特性,(2)スタートアップ流動特性ならびにせん断流れ停止後の応力緩和特性.また,流路内の高分子溶液の流れ(3)平行平板流路内の助走域での流れ,(4)平行平板流路内に偏心して配置された円柱周りの流れ,を上述のモデルを用いて数値解析した.以上より,FENEダンベルモデルを用いて希薄高分子溶液の流動を定性的に表すことができた.また,流動中における分子の形態の変化の概要を知ることができ,高分子溶液特有の流動の発生メカニズムを明らかにする手がかりが得られた.