分子動力学シミュレーションによる微小気泡群の粗大化過程に対するWagner理論の妥当性検証

摘要

近年，熱交換効率向上や製品の小型化の観点から熱交換器をはじめとした機器の微細管化が進hでいる．微細管内の相変化現象は，バルクでの相変化とは大きく異なる特性を有することから，ミクロなスケールとマクロなスケールにおける相変化の物理の違いを解明することは工学的に大きな意義がある．気液相変化を伴う熱流動現象には沸騰とキャビテーションが存在するが，これらは気泡の初生-成長·蒸発／凝縮·合体／分裂·収縮-崩壊など，多くの素過程から構成される複雑な気液二相流であり，かつ，様々なスケールを有するマルチスケールの現象である．上記の素過程のうち初生-成長過程では，液相中に存在する無数の気泡核が種となって気泡が生成し，これらの気泡群が互いに影響を及ぼし合いながら成長し得るが，条件によっては相対的に大きいものは成長し小さいものは収縮するという，オストワルド成長と呼ばれる粗大化現象が起こることが知られている．ミクロなスケールにおける気泡の粗大化過程についての研究は非常に少なく，代表的な先行研究としては分子動力学（Moleculer Dynamics，MD）法を用いたTsudaらの研究やWatanabeらの研究がある．Tsudaらの研究では分子数約70万個（一辺約34nmの立方体），Watanabeらの研究では分子数約6億7900万個（一辺約325nmの立方体）を対象としたMDシミュレーションを行っているが，両先行研究では，スケール（空間領域）依存性の評価を直接は行っていない．スケール依存性の評価は，微細管内の粗大化過程とバルクにおける粗大化過程の違いを本質的に明らかにするうえで，工学的にも非常に重要である．