フェーズフィールド法による固気液多相流モデル構築とマイクロ流体デバイスの最適設計

相场法固-气-液多相流模型构建及微流控装置优化设计

• 批准号: 19J15054
• 负责人: 相原 慎太郎
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Kyoto Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J15054/
• 关键词: 多相流問題; multi-phase-field法; Navier-Stokes方程式; GPU

人体内の任意の場所に薬を送り届けるドラッグデリバリーシステムは医療工学において最も将来的に期待されている薬物投与技術であり，癌等の治療にも極めて効果的である．このシステムにおいて重要な役割を果たす多相エマルションを効率的に形成するために，マイクロ流体デバイスによる実験的研究が行われている．しかしながら，多相エマルションを作成するためのデバイスは極めて小さく，その製作加工と実験観察は容易ではない．このため，従来の試行錯誤的な実験による系統的な評価は困難である．以上の背景の下，様々な要求に対する多相エマルションを作成するための，最適なマイクロ流体デバイス設計と流動条件を決定する，コンピュータシミュレーション技術が必要不可欠である．多相エマルションの作成過程は3相以上の多相流問題であり，気液相の大変形や合体・分離が生じる．さらに，μmオーダーにおける現象であるため界面エネルギーの影響を精度よく考慮する必要がある．フェーズフィールド法は拡散界面モデルであり液滴の大変形，結合・分離，界面エネルギー効果を精度良く表現可能であることから，その拡張形であるマルチフェーズフィールド (MPF)モデルが多相エマルション形成シミュレーションの強力なツールとなることが期待される．そこで，本研究では構築した任意の多相流を表現可能なMPFモデルを用いて，多相エマルション形成を表現可能なモデルを新規に構築することを目指す．当該年度においては，先の研究において提案したモデルを改善することでより高精度な多相流MPFモデルを構築し，体積保存性の向上を行った．そして構築したモデルと従来のモデルとの比較を通して本モデルの有用性を示し，その内容に関してまとめた論文1編を執筆した．また，次のアプリケーションとしてマイクロチャネル内を流れる多相流が多相エマルションを形成する過程のシミュレーションに取り組んでいる．

向人体内部任何地方输送药物的药物输送系统是医学工程中最受期待的药物管理技术，在治疗癌症和其他癌症方面非常有效。已经进行了使用微流体设备的实验研究，以有效形成多相乳液，在该系统中起重要作用。但是，产生多相乳液的设备极小，其制造和实验观察并不容易。因此，很难使用常规试验和错误实验进行系统评估。在上述背景下，计算机仿真技术以确定最佳的微流体设备设计和为各种需求创建多相乳液的流动条件是必不可少的。产生多相乳液的过程是三个或更多阶段的多相流问题，导致大变形，合并和气体液相的分离。此外，由于这种现象是在μm的顺序上，因此必须高精度地考虑界面能的效果。相位场方法是一个扩散接口模型，可以准确表达大型变形，耦合/分离以及液滴的界面能量效应，并且可以预期，多相球场（MPF）模型（一种扩展的形式）将成为多变乳液形成仿真的强大工具。因此，在这项研究中，我们旨在构建一个新模型，该模型可以使用MPF模型来表达多相乳液的形成，该模型可以表达任何构造的多相流。在今年，我们通过改善了先前研究中提出的模型并改善了体积保留率，从而构建了更准确的多相MPF模型。然后，他通过将构造模型与常规模型进行比较，证明了该模型的有用性，并撰写了一篇汇总其内容的论文。另外，作为下一个应用程序，我们正在研究多相通过微通道形成多相乳液的过程的模拟。

项目成果

Investigation of Multi-phase-field Model without Lagrange Multiplier for Multiphase Flow Simulation

多相流模拟中无拉格朗日乘子的多相场模型研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Aihara Shintaro;Takada Naoki;Takaki Tomohiro
• 通讯作者: Takaki Tomohiro