計算科学に基づく新規移流拡散制御・分離測定技術の開発によるソーレ係数の高精度測定

基于计算科学开发新型平流扩散控制和分离测量技术，高精度测量Sole系数

• 批准号: 20J23254
• 负责人: 折笠 勇
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23254/
• 关键词: Soret効果; Soret係数; 流体数値計算; 粒子画像流速測定法（PIV）; 浮力対流; 浮力対流抑制; 数値計算; 干渉計; 粒子画像流速測定法; 干渉縞解析; 機械学習; マイクロ流路; 上部高温液体; 対流抑制; 位相解析・接続; 干渉縞強度時系列; 人工生成波形; Soret効果; Soret係数; 流体数値計算; 粒子画像流速測定法（PIV）; 浮力対流; 浮力対流抑制; 数値計算; 干渉計; 粒子画像流速測定法; 干渉縞解析; 機械学習; マイクロ流路; 上部高温液体; 対流抑制; 位相解析・接続; 干渉縞強度時系列; 人工生成波形

混合溶液中の温度差に沿って構成成分が物質拡散し定常的な濃度差を生じる現象をSoret効果と呼ぶ。低（高）温側に濃化する成分種と度合いは、物質系や比、温度に依存するSoret係数で与えられ、結晶成長や凝固過程での成分再分配の高精度予測に重要なパラメータである。しかし、重量環境下においては浮力対流などの強い流れ場が擾乱となり、Soret係数の高精度な測定は困難であった。この問題に対して、有限要素法による流体数値計算と粒子画像流速測定法（PIV）を用いて、混合溶液を満たす試料容器の寸法形状や温度差の与え方を工夫することで、地上でも浮力対流を抑えて、正確にSoret効果を観測し得る条件を明らかにした。具体的には、鉛直扁平なガラス容器の内部空洞に充填され鉛直方向に加熱されるエタノール水溶液の3次元数値計算モデルを作成し、空洞厚さと加熱温度を変化させ、溶液速度・温度・濃度場変化を計算した。その結果、Soret効果による溶質輸送量が大きな溶液系ほどSoret係数測定に許容される溶液中の対流場が大きくなることを明らかにした。この結果は，前年度に既に明らかにした純溶液での関係性とも良く整合する結果であった．また，測定誤差は対流場の無次元速度に関するパラメータの多項式で良く近似できることが分かった。さらに、対流場の無次元速度は設計可能な測定条件“溶液熱物性・初期条・溶液寸法”に関する線形式から予測・制御可能であることが分かった。つまり、測定条件を線形式組込の多項式を満たすように設計することで，地上重力下においても浮力対流を高度に抑制し，Soret係数の高精度な測定を実現し得ることを明らかにした。この成果の一部を拡散現象の代表的な国際会議DSL2022で発表した。

组分沿混合溶液中温度差扩散（导致恒定浓度差异）的现象称为soret效应。集中在低温（高）温度侧的成分的物种和程度由依赖材料系统，比率和温度的SORET系数给出，并且是高精度预测在晶体生长和凝固过程中的重要参数。但是，在沉重的环境中，诸如浮力对流之类的强流场变得受到干扰，因此很难以高精度测量soret系数。针对这个问题，我们使用有限元方法和粒子图像流速度测量（PIV）使用了数值流体计算，以设计样品容器的尺寸和形状，以填充混合溶液以及如何提供温度差异，甚至在地面上抑制浮力对流，并阐明在哪些效果上可以准确地观察到的条件。具体而言，创建了三维数值模型，用于乙醇水溶液填充到垂直平坦的玻璃容器的内腔中并在垂直方向上加热，并改变了腔厚度和加热温度，并计算了溶液速度，温度和浓度场的变化。结果，发现由于溶质效应而引起的溶质传输量越大，溶液中对流场就越大，这对于测量索索系数是可以接受的。这些结果与上一年已经揭示的纯解决方案的关系非常吻合。还发现，通过与对流场无量纲速度有关的参数的多项式可以很好地近似测量误差。此外，发现可以从线性格式中预测并控制有关可以设计的测量条件的对流场的无量纲速度，“解决方案热物理性能，初始线和溶液尺寸”。换句话说，通过设计测量条件以满足内置为线性形式的多项式，即使在地面重力下也可以显着抑制浮力对流，并实现对索特系数的高精度测量。其中一些结果是在DSL2022的代表性国际扩散现象会议上提出的。