界面活性剤と流体の分子スケールでの相互作用から探る抵抗低減の物理機構

从表面活性剂与流体之间的分子尺度相互作用探索减阻的物理机制

基本信息

批准号：
22KJ2074
负责人：
小井手祐介
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は，本研究課題の目標達成に向けて2つの研究テーマに取り組んだ．1つ目は，一様せん断流中でのひも状ミセルの配向である．一様せん断流中のひも状ミセルは，せん断速度の増加とともに流れ方向へと配向することはよく知られていた．しかし，一様せん断流によるミセルの分裂促進が配向に及ぼす影響を定量的に評価した研究はこれまで無かった．そこで，本研究では，昨年度明らかにした一様せん断流中のミセルの分裂の知見に基づいて，分裂が配向に及ぼす影響を調査した．重要な点は，その配向性質がよく知られた高分子と比較することで，ひも状ミセル特有の分裂の影響を明らかにした点である．昨年度の研究成果により，ひも状ミセルの最長緩和時間の評価が可能になったことで，特徴時間の異なる高分子とひも状ミセルの適切な比較が実現した．その結果，ミセル特有の流れによる分裂促進が始まると，ひも状ミセルの配向は高分子に比べて抑制されることがわかった．2つ目は，高分子を模したダンベルモデルの乱流中におけるふるまいの調査である．直接数値シミュレーションにより得られた乱流場から速度勾配テンソルの時系列を取得し，そのデータを用いてダンベルモデルのブラウン動力学シミュレーションを実行した．本研究では，乱流中のダンベルモデルの伸長と配向に注目した解析を行った．特に，乱流中に存在する大小様々な渦の階層構造に着目した点が本研究の特色である．ダンベルは乱流中の渦によってある方向へと配向したり伸長したりするが，どの大きさの渦の影響が支配的かを，流れ場をスケール分解することで明らかにした．具体的には，ダンベルの緩和時間が小さい場合には，ダンベルは乱流中の最小渦に由来する方向へと配向するのに対し，緩和時間が大きな場合には，最小渦よりも1つ大きな渦に由来する方向へと配向することがわかった．

今年，我们开展了两个研究主题来实现该研究项目的目标。第一个是均匀剪切流中线状胶束的取向。众所周知，随着剪切速率的增加，均匀剪切流中的线状胶束会沿流动方向定向。然而，迄今为止还没有研究定量评估均匀剪切流促进胶束裂变对取向的影响。因此，在本研究中，基于去年揭示的均匀剪切流过程中胶束破碎的知识，我们研究了破碎对取向的影响。重要的一点是，通过将线状胶束与众所周知的取向特性的聚合物进行比较，阐明了线状胶束特有的裂变效应。去年的研究结果使得评估线状胶束的最长弛豫时间成为可能，从而可以适当比较具有不同特征时间的聚合物和线状胶束。结果发现，一旦由于胶束的独特流动而促进裂变，与聚合物相比，线状胶束的取向受到抑制。第二个是对模拟聚合物在湍流中的哑铃模型行为的研究。从直接数值模拟获得的湍流场中获得速度梯度张量的时间序列，并利用该数据对哑铃模型进行布朗动力学模拟。在本研究中，我们针对湍流中哑铃模型的伸长和方向进行了分析。特别是，这项研究的独特之处在于它关注于湍流中存在的各种大小的涡流的层次结构。哑铃在湍流中受到涡流的作用而在一定方向上定向或拉长，我们通过分解流场阐明了哪种大小的涡流占主导地位。具体地，当哑铃的弛豫时间较小时，哑铃将沿湍流中最小涡流来源的方向定向，而当弛豫时间较长时，哑铃将沿湍流中最小涡流来源的方向定向。发现取向是在源自涡流的方向上。