化学工学会第47回秋季大会
2015/09/11
○辰巳 怜1，小池 修3，
辻 佳子1,2，山口由岐夫3
1東京大学
環境安全研究センター
2東京大学 大学院工学研究科化学システム工学専攻
3（一般社団法人）プロダクト・イノベーション協会
2/23
(Colloidal suspensions)
微粒子分散液
(Coating) (Drying)
塗布・乾燥
(Addition of solutes)
(Functional thin films)
機能性薄膜
溶質（高分子，界面活性剤など）の添加
(Elucidation and control of particle configuration)
粒子構造の解明・制御
Evaporation
3/23
DLVO Theory
Electrostatic repulsion
(Electrical double layer overlapping)
Gap width
van der Waals attraction
Addition of adsorbing solutes
Adsorption layer overlapping
-
-
-
-
+
+ + + + - + + - +
- - + + - -
4/23
メソスケールモデル構築（Mesoscale modeling）
直接数値計算（Direct Numerical Simulation）
・粒子/流体運動（Particle/fluid motion）
・自由界面移動（Free surface movement）
[Previous work]
M. Fujita et al., J. Comput. Phys. 281, 421 (2015).
・溶質吸着/移動（Transport of adsorbing solutes）
5/23
M. Fujita et al., J. Comput. Phys. 281, 421 (2015).
6/23
縦毛管力 (Vertical capillary force)
横毛管力 (Lateral capillary force)
M. Fujita et al., J. Comput. Phys. 281, 421 (2015).
・粒子： Newton-Euler 運動方程式
Coupled
・流体： 流体方程式
・自由界面： 移流方程式
・溶質： 移流拡散方程式
Free surface
movement
Flow
Motion
Transport
7/23
8/23
(Square-well potential)
井戸型ポテンシャル
(Adsorption energy)
吸着エネルギー：
(Adsorption layer thickness)
吸着層厚み：
(Adsorption potential)
吸着ポテンシャル
9/23
Particle
Liquid
Adsorption
Overlapping number：
For DNS:
step function
→ continuous function
10/23
Fluctuations
Liquid
Gas
分配係数（Partition coefficient）：
気相への溶質非透過条件（impermeability）：
For DNS：
11/23
Mass conservation
： evaporation mass flow rate
： velocity of free surface
on free surface
Free surface movement
For DNS: level set method
12/23
Mass conservation
Momentum conservation
Fluctuations
Surface tension Particle-solute Particle velocity
interaction
forcing
Osmotic pressure
13/23
[Translation]
[Rotation]
Hydrodynamic force/torque
Particle-solute interaction
Momentum exchange:
particle ↔ fluid
8
6
c c0
4
14/23






解析解
2
0
0
1

2
3
15/23
= 0.6
4

0.01
0.025
0.05
0.1
0.2
c c0
3
2
1
0
-0.5
0
0.5

1
1.5
2
16/23
2
βε ==0.5
0.5
βε == -0.5
-0.5
解析解
F /RTc0a2
1
a
0.5a
(Osmotic repulsion)
浸透圧斥力
0
(Depletion attraction)
-1
h
(Gap width)
粒子表面間距離
-2
0
枯渇引力
(Bridging attraction)
架橋引力
0.2
0.4
h/a
0.6
0.8
1
17/23
粒子半径 (Particle radius)
動粘性係数 (Dynamic viscosity)
表面張力 (Surface tension)
接触角 (Contact angle)
溶質濃度 (Solute concentration)
初期体積分率 (Initial volume fraction)
Periodic boundaries:
18/23
Diffusion coefficient
Particle
Solute
Péclet number
Approximation:
19/23
Ordering by interparticle force
20/23
21/23
0.7
Peslt = 1
0.6
0.5
0.4

0.3
Ordering on free surface
Peslt = 0.01
0.2
0.1
0
0
1
2
3
vet/a
4
5
22/23
23/23
メソスケールモデル構築（Mesoscale modeling）
・粒子/流体運動（particle/fluid motion）
・自由界面移動（free surface movement）
・溶質吸着/移動（transport of adsorptive solutes）
数値計算結果（Numerical results）
・溶質吸着 → 粒子整列に影響
・Péclet数（溶質濃縮層の発達）に依存
Particle ordering depends on solute Péclet number.

スライド 1

スライド 1