Elucidation of membrane filtration mechanism of emulsions by multiphysics numerical analysis and optimal design of microporous structure

通过多物理场数值分析和微孔结构优化设计阐明乳液膜过滤机理

• 批准号: 22K04804
• 负责人: 石神 徹
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Hiroshima University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04804/
• 关键词: 数値シミュレーション; phase field model; エマルション; 画像解析; 畳み込みニューラルネットワーク; 精密ろ過; 微細構造

本年度は、集束イオンビーム電子顕微鏡（FIB-SEM）を用いた画像解析により、市販の精密ろ過膜の微細構造の取得を行った後、この数値的に得られた微細構造に対して液液二相流（水中油滴型エマルション）を透過させる数値シミュレーション手法の構築を行った。液液二相の自由界面流れの計算には自由エネルギー型のフェーズフィールドモデルを用いた。また、膜微細構造が有する複雑な形状周りの流れや液滴群の濡れを計算するために、埋込境界法とYoungの法則に基づく自由エネルギー型濡れモデルの開発および検証を行った。構築した数値シミュレーションモデルは、複雑な形状を有する膜微細構造内の速度場、圧力場のみならず、分散相のダイナミクスや透過現象を妥当に表現できるとともに、阻止率や透過係数といった膜性能の評価も可能であることがわかった。一方、膜微細構造内における自由界面流れの高解像度の数値シミュレーションは、計算負荷が非常に大きいため、深層畳み込みニューラルネットワーク（CNN）による流れ場の予測技術の開発を行った。ここではまず第一段階として、画像解析により得た実際の膜微細構造ではなく、モデル化した2次元の膜微細構造内の速度場や圧力場の予測を試みた。その結果、CNNによる速度場や圧力場の予測値は、数値シミュレーションの計算結果と概ね良好に一致していたものの、固体表面における予測精度が若干低下することが明らかとなり、その結果膜性能の予測精度も若干低下することがわかった。

今年，我们使用聚焦离子束电子显微镜（FIB-SEM）通过图像分析获得了市售微滤膜的精细结构，然后将这种数值获得的精细结构与液-液电介质进行了比较，我们构建了数值模拟方法。用于渗透相流（水包油乳液）。采用自由能相场模型计算液-液两相的自由界面流。此外，为了计算复杂形状的薄膜微结构周围的流动和液滴群的润湿，我们开发并验证了基于埋边界法和杨氏定律的自由能润湿模型。所构建的数值模拟模型不仅可以合理地表达形状复杂的膜微结构内部的速度场和压力场，还可以表达分散相和渗透现象的动力学，以及截留率等膜性能的评价率和渗透系数证明也是可以的。另一方面，膜微结构内自由界面流的高分辨率数值模拟需要非常大的计算量，因此我们开发了一种使用深度卷积神经网络（CNN）的流场预测技术。作为第一步，我们尝试预测建模的二维膜微结构内的速度和压力场，而不是通过图像分析获得的实际膜微结构。结果，虽然CNN对速度场和压力场的预测值与数值模拟的计算结果大体吻合，但很明显，固体表面的预测精度略有下降，因此预测结果膜性能的准确性也略有下降。

项目成果

Airborne transmission of COVID-19 pathogens: effect of ventilation strategy

COVID-19 病原体的空气传播：通风策略的效果

• 发表时间: 2022
• 作者: Mohammadreza Shirzadi;Hamid Motamedi;Yoshihide Tominaga;Parham Ahranjani Mirzae;Toru Ishigami
• 通讯作者: Toru Ishigami

Numerical simulation of aerosol permeation through microstructure of face masks coordinating with x-ray computed tomography images

• DOI: 10.1063/5.0129087
• 发表时间: 2022-12
• 期刊: AIP Advances
• 影响因子: 1.6
• 作者: Kodai Hada;M. Shirzadi;Tomonori Fukasawa;K. Fukui;T. Ishigami

Numerical modeling for particulate flow through realistic microporous structure of microfiltration membrane: Direct numerical simulation coordinated with focused ion beam scanning electron microscopy

• DOI: 10.1016/j.powtec.2022.117872
• 发表时间: 2022-08-27
• 期刊: POWDER TECHNOLOGY
• 影响因子: 5.2
• 作者: Kawashima, Kenta;Shirzadi, Mohammadreza;Ishigami, Toru
• 通讯作者: Ishigami, Toru

バグフィルター内粒子堆積挙動の数値シミュレーション

袋式除尘器颗粒沉积行为的数值模拟

• 发表时间: 2023
• 作者: 碩 渉夢;Shirzadi Mohammadreza;深澤 智典;福井 国博;石神 徹
• 通讯作者: 石神 徹

Direct Numerical Simulation of Granular and Multiphase Flows through Filter Microstructures Obtained by Image Analysis

通过图像分析获得的通过过滤器微观结构的颗粒流和多相流的直接数值模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: Mohammadreza Shirzadi;Hamid Motamedi;Yoshihide Tominaga;Parham Ahranjani Mirzae;Toru Ishigami;Toru Ishigami
• 通讯作者: Toru Ishigami