微細構造による濡れ性の制御に向けた大規模数値シミュレーションとトポロジー最適化

通过微观结构控制润湿性的大规模数值模拟和拓扑优化

• 批准号: 22K12058
• 负责人: 大西 順也
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Institute of Physical and Chemical Research
• 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-22K12058/
• 关键词: ハイパフォーマンス・コンピューティング; 濡れ; 微細構造; 流体工学; 混相流; 最適化

本研究では、大規模並列計算技術を活用することで、流動・伝熱・気液界面挙動の相互干渉による非定常マルチスケール・マルチフィジックス現象に対する直接数値シミュレーションを実現し、微細構造表面上の濡れ現象を機構論的に解明する。また、上記の直接数値シミュレーションに対して、随伴解析に基づいたトポロジー最適化手法を組み合わせることで、微細構造の最適化を試みる。具体的には、a)Cassie状態における静的接触角の最大化、b)Wenzel-Cassie転移におけるエネルギー障壁の最大化、c)微細構造内部における毛管流れの最大化の各最適化問題に対して実際にトポロジー最適化手法を適用し、特性や効果を評価、検証することで、濡れ現象に関する最適化技術を確立する。本年度は、主に、数値シミュレーションで用いる計算モデル、および、計算プログラムの検証として、計算精度・計算効率の妥当性、現象の再現性を確認した。特に、再現性の確認では、矩形流路中の毛管流れに関する数値シミュレーションを実施し、既存の実験結果との比較検証を実施した。一方、最適化計算については、矩形流路内の毛管流れの流量が最大となるアスペクト比を数値シミュレーション結果から評価し、既存の実験・理論との比較検証を実施した。さらに、先行研究で提案された手法の性能を評価するため、その手法を実装した。

本研究将利用大规模并行计算技术，实现对流动、传热、气液界面行为相互干扰引起的非定常多尺度多物理现象的直接数值模拟，并从机理上阐明该现象。此外，我们将尝试通过将上述直接数值模拟与基于伴随分析的拓扑优化方法相结合来优化微观结构。具体来说，对于a）最大化Cassie状态下的静态接触角，b）最大化Wenzel-Cassie转变中的能垒，以及c）最大化微结构内的毛细管流动的优化问题，通过实际应用拓扑优化方法和。评估和验证它们的特性和效果，我们将建立润湿现象的优化技术。今年，我们主要验证了数值模拟中使用的计算模型和计算程序，确认了计算精度和效率的有效性以及现象的再现性。特别是，为了确认再现性，对矩形流路中的毛细管流动进行了数值模拟，并与现有的实验结果进行了比较。另一方面，在优化计算方面，根据数值模拟结果评价了使矩形通道内的毛细管流流量最大化的长宽比，并与现有的实验和理论进行了比较。此外，我们实施了先前研究中提出的方法来评估其性能。