微細構造による濡れ性の制御に向けた大規模数値シミュレーションとトポロジー最適化

本研究では、大規模並列計算技術を活用することで、流動・伝熱・気液界面挙動の相互干渉による非定常マルチスケール・マルチフィジックス現象に対する直接数値シミュレーションを実現し、微細構造表面上の濡れ現象を機構論的に解明する。また、上記の直接数値シミュレーションに対して、随伴解析に基づいたトポロジー最適化手法を組み合わせることで、微細構造の最適化を試みる。具体的には、a)Cassie状態における静的接触角の最大化、b)Wenzel-Cassie転移におけるエネルギー障壁の最大化、c)微細構造内部における毛管流れの最大化の各最適化問題に対して実際にトポロジー最適化手法を適用し、特性や効果を評価、検証することで、濡れ現象に関する最適化技術を確立する。本年度は、主に、数値シミュレーションで用いる計算モデル、および、計算プログラムの検証として、計算精度・計算効率の妥当性、現象の再現性を確認した。特に、再現性の確認では、矩形流路中の毛管流れに関する数値シミュレーションを実施し、既存の実験結果との比較検証を実施した。一方、最適化計算については、矩形流路内の毛管流れの流量が最大となるアスペクト比を数値シミュレーション結果から評価し、既存の実験・理論との比較検証を実施した。さらに、先行研究で提案された手法の性能を評価するため、その手法を実装した。

本研究では、大規模並列計算技術を活用することで、流動・伝熱・気液界面挙動の相互干渉による非定常マルチスケール・マルチフィジックス現象に対する直接数値シミュレーションを実現し、微細構造表面上の濡れ現象を機構論的に解明する。また、上記の直接数値シミュレーションに対して、随伴解析に基づいたトポロジー最適化手法を組み合わせることで、微細構造の最適化を試みる。具体的には、a)Cassie状態における静的接触角の最大化、b)Wenzel-Cassie転移におけるエネルギー障壁の最大化、c)微細構造内部における毛管流れの最大化の各最適化問題に対して実際にトポロジー最適化手法を適用し、特性や効果を評価、検証することで、濡れ現象に関する最適化技術を確立する。本年度は、主に、数値シミュレーションで用いる計算モデル、および、計算プログラムの検証として、計算精度・計算効率の妥当性、現象の再現性を確認した。特に、再現性の確認では、矩形流路中の毛管流れに関する数値シミュレーションを実施し、既存の実験結果との比較検証を実施した。一方、最適化計算については、矩形流路内の毛管流れの流量が最大となるアスペクト比を数値シミュレーション結果から評価し、既存の実験・理論との比較検証を実施した。さらに、先行研究で提案された手法の性能を評価するため、その手法を実装した。