エントロピー生成速度最大の原理に基づく散逸構造の時間発展の予測

基于最大熵产生率原理的耗散结构时间演化预测

基本信息

批准号：
20840039
负责人：
伴貴彦
金额：
$ 2.1万
依托单位：
Doshisha University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (Start-up)
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2009
项目状态：
已结题

项目摘要

非平衡開放系において、液滴に二つの推進力-一様流れと界面を通じて行われる物質移動-を印加すると、液滴内部に自己組織化された流れが発生し、液滴運動が推進力の強弱により、大きく変化することがわかった。この秩序だった運動に対する今年度に得られた研究成果は、大きく分けて以下の二点である。1. 液滴内部に自発的に発生した流れが自己組織的に渦対に発展し、秩序運動が生まれ、液滴の運動を誘発する2. 液滴内部の流れおよび液滴運動のエントロピー生成速度は熱力学力の増加にともない、増加した1の秩序的な渦対の運動は、興味深い現象が多く、その内の一つに、渦対が液滴内部で、章動しながら歳差運動を行うという特異な流動現象を発見した。その運動様式は固定点を回転するコマの運動と類似しており、渦対でも剛体と同様な運動様式が発現することは特筆すべき点である。その運動メカニズムは、流体力学に基づく理論的に解析でき、実験結果と定量的に一致する計算結果が得られ、その成果を学術雑誌にて発表した。2の液滴運動における時間発展を、熱力学的に解析した結果、測定した範囲においてその散逸構造は、熱力学力と熱力学流れに線形性を持ち、単純にエントロピー生成速度が計算できることが分かった。様々な運動様式を見せる液滴運動のエントロピー生成速度は、ある熱力学力における最大値を取ることが分かり、散逸構造の変化の予測に成功した。

在非平衡开放系统中，当对液滴施加两种驱动力——均匀流动和通过界面的传质时，液滴内部会产生自组织流动，液滴运动受驱动力控制发现根据强度变化很大。今年对于这场有序运动的研究成果，大致可以分为以下两点。 1. 液滴内部自发产生的流动以自组织的方式发展成涡对，产生有序运动并诱导液滴运动。 2. 液滴内部流动和液滴运动的熵产生率。热力学力增大，涡旋对1的有序运动增强，出现许多有趣的现象，其中之一是涡旋副在液滴内部章动时进动，我们发现了这种独特的流动现象。运动模式类似于绕固定点旋转的陀螺，值得注意的是，涡流副表现出类似于刚体的运动模式。可以基于流体动力学对运动机理进行理论分析，得到与实验结果定量匹配的计算结果，并将结果发表在学术期刊上。对2中液滴运动的时间演化进行热力学分析，发现耗散结构在测量范围内的热力和热力流具有线性关系，并且可以简单地计算熵产率。研究发现，表现出各种运动模式的液滴运动的熵产生率在一定的热力学力下取最大值，并且我们成功地预测了耗散结构的变化。