Development of Hierarchical Computational Technique for Complex Flows in Surfactant/polymer Composites

表面活性剂/聚合物复合材料中复杂流动的分层计算技术的发展

基本信息

批准号：
22H01186
负责人：
川勝年洋
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

高分子と界面活性剤の混合溶液の複雑流動の階層計算の実現のために、マクロ流動を外部から制御する機構と、流体内部での自発的構造形成の機構を再現する計算アルゴリズムを開発した。複雑流体の階層計算には、我々が開発してきたMultiScale Simulation Platform for complex flows(MSSP)をもちいた。マクロ流動の制御の検証のためには、細管内のチャンネル流中に可動翼を取り付けた系を例として考え、この可動翼を動かすことで翼にはたらく力を計算した。MSSPのもつ移動境界の取り扱いの容易さを利用して、可動翼を流体中で回転させ、チャンネル流に対する稼働翼の迎え角を変化させた。チャンネル流を構成する複雑流体としては、高重合度高分子を表す線形粘弾性の連続体モデル及び、DNAのような強い伸び切り効果を持つ高分子鎖のモデルであるFENE粒子モデルを使用し、これらの結果をニュートン流体の場合と比較した。計算結果から、回転翼後方に生じる渦列の発生周波数と複雑流体中の高分子の緩和時間及び伸び切りの強さに強い相関があることが示された。この結果は、複雑流動の制御においてミクロとマクロの両方のスケールでの同時制御が必要であることを示しており、MSSPの機能拡張のための指針を得ることができた。上記の計算と並行して、界面活性剤ミセルを含む流体中での液滴の変形と界面活性剤の拡散過程の共同現象をシミュレートできるようにMSSPを拡張した。ミセルの変形による応力はダンベル集団を用いた分子モデルで表現し、界面活性剤の数密度場の拡散とカップルさせた。液滴の界面上での界面活性剤の数密度場の拡散により、液滴の界面張力が変動と流動変形が誘起される「マランゴニ効果」も再現できるようになった。このように、MSSPの界面活性剤系への拡張と大規模計算をおこない、定性的な確認及び動作テストをおこなった。

为了实现聚合物和表面活性剂混合溶液中复杂流动的分层计算，我们开发了一种外部控制宏观流动的机制和一种重现流体内部自发结构形成机制的计算算法。对于复杂流体的分层计算，我们使用了我们开发的复杂流多尺度仿真平台（MSSP）。为了验证宏观流量控制，我们考虑了一个系统示例，其中可动叶片附着在毛细管内的通道流上，并通过移动可动叶片计算作用在叶片上的力。利用 MSSP 易于处理移动边界的优势，我们在流体中旋转可移动叶片，并改变工作叶片相对于通道流的攻角。对于构成通道流动的复杂流体，我们使用了代表高聚合聚合物的线性粘弹性连续体模型，以及像DNA一样具有强伸长效应的聚合物链模型的FENE粒子模型，将这些结果与DNA进行了比较。以牛顿流体为例。计算结果表明，转子叶片后面产生的涡街的产生频率、聚合物在复杂流体中的弛豫时间以及完全伸展的强度之间存在很强的相关性。这一结果表明，微观和宏观尺度的同时控制对于控制复杂的流动是必要的，并为扩展MSSP的功能提供了指导。与上述计算并行，我们扩展了MSSP，使其能够模拟含有表面活性剂胶束的流体中液滴变形和表面活性剂扩散过程的联合现象。由胶束变形引起的应力通过使用哑铃群的分子模型来表达，并且与表面活性剂的数密度场的扩散耦合。还可以再现“马兰戈尼效应”，其中液滴的界面张力波动，并且表面活性剂的数密度场在液滴界面上的扩散引起流动变形。通过这种方式，我们将MSSP扩展到表面活性剂体系，进行大规模计算，并进行定性确认和操作测试。