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

基本信息

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

项目摘要

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．

将药物输送到人体内任何部位的药物输送系统是医学工程中最有前途的给药技术，在治疗癌症和其他疾病方面极为有效。正在使用微流体装置进行实验研究，以有效形成在该系统中发挥重要作用的多相乳液。然而，用于产生多相乳液的装置非常小，其制造和实验观察并不容易。因此，使用传统的试错实验进行系统评估是很困难的。在此背景下，计算机模拟技术对于确定最佳微流体装置设计和流动条件以创建满足各种要求的多相乳液至关重要。多相乳液的形成过程是涉及三相或更多相的多相流问题，会发生气相和液相的大变形、聚结和分离。此外，由于这是μm级的现象，因此需要准确地考虑界面能量的影响。相场法是一种扩散界面模型，可以准确地表示大液滴变形、结合/分离和界面能量效应，因此其扩展版本——多相场（MPF）模型有望用于模拟多相乳液的形成。它将成为一个强大的工具。因此，在本研究中，我们的目标是使用构建的可以表达任意多相流的 MPF 模型来构建一个可以表达多相乳液形成的新模型。本财年，我们通过改进前期研究提出的模型，构建了更加精确的多相流MPF模型，并改进了其体积守恒。他通过将构建的模型与传统模型进行比较，证明了该模型的实用性，并撰写了一篇总结其内容的论文。此外，作为下一个应用，我们正在模拟微通道中流动的多相流形成多相乳液的过程。