応用機械情報研究室
富山大学工学部 機械工学コース 応用機械情報研究室 Applied Mechano-Informatics Laboratory

格子ボルツマン法と分子動力学法によるコンピュータシミュレーション

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応用機械情報研究室

格子ボルツマン法と分子動力学法によるコンピュータシミュレーション

研究紹介

格子ボルツマン法における境界滑りの解明

Immersed Boundary-Lattice Boltzmann Methodにおける流速の滑りと温度の跳びに関する研究

数値計算手法の一つである格子ボルツマン法について研究をしています。格子ボルツマン法は、質量の保存性と並列計算効率に優れ、大規模高速計算が可能ですが、単純な手法であるが故、問題点もあります。例えば,埋め込み境界法(Immersed Boundary Method, IBM)を格子ボルツマン法(Lattice Boltzmann Method, LBM)に適用したImmersed Boundary-Lattice Boltzmann Method (IB-LBM)では、左図のように、緩和時間が増大すると、境界滑りと呼ばれる流速の滑りや温度の跳びが発生します。境界滑りと緩和時間との関係式を導出し、理論解と数値解とを比較することで、多緩和時間衝突則により、右図のように、境界滑りが除去されることを実証しました。

 

格子ボルツマン法による二相流解析

Lattice Boltzmann Methodによる濡れ性を考慮した気液・固気二相流解析

格子ボルツマン法では、分布関数により気相と液相間の界面張力を局所的に計算することで、複雑な気液界面形状を自律的に計算することが出来ます。下図のように、微小な液滴が表面張力によって合体する複雑な界面現象を再現することに成功しています。

また、ハスの葉には、表面上に10μmと1μmの二種類のスケールの凹凸構造が存在することで、濡れ角が150度以上になる超撥水現象が発生することが知られています。下図のように平板や、球面に対し、濡れ性を制御する格子ボルツマン法を提案することに成功しました。これにより、微細な凹凸構造に基づくハスの葉面上の撥水効果(ロータス効果)の解明が期待されます。

 

 

 

Nanoscale energy transfer at thermal and vibration processes

ナノスケール構造特性の計算への分子動力学法の応用

低次元炭素材料における熱およびエネルギー移動

 

熱伝導体に用いられるのは、従来はシリコンがメインだったが、それよりも遥かに優れた熱伝導性を持つグラフェンの実用化に向けての研究を局所的に進めている。グラフェンの一部分のモデルを計算機上で再現し、そこである一定の場所に熱を加えることで伝導の伝わりかたや熱周波数等のデータを手に入れることができる。

熱伝搬においてのグラフェンという物質はどう活きていくのかというものを研究しています。.

 

ナノスケールでおける平板間に閉じ込められた流体の密度および粘性を計算する

 

分子動力学(MD)法は、ナノスケールにおける流体の挙動や特性について、広い条件に対して使用できるため多く使用されてきた。

ラボオンチップとナノ電気機械システムの場合でナノスケールにおける流体の挙動の解明が重要視されるようになった。我々は以下の性質を見つけた。

速度を変化させると、粘度や密度も変化する。

領域全体の速度が大きいほど、粘度や密度の変化も大きい。速度と粘度、速度と密度はそれぞれ比例の関係にある。

グラフェンナノ細孔を介した通過の過程におけるDNAヌクレオチドのIRスペクトルの分子動力学による評価

 

ラマンおよびIRスペクトルを用いてDNA分子中のヌクレオチドを配列決定し、メチル化ヌクレオチドを見出す可能性のシミュレーションが行われている。

分子動力学シミュレーションおよび量子力学シミュレーションの結果を比較して、異なる振動モードのスペクトルマップを見つける。

メンバー紹介

瀬田 剛

瀬田 剛准教授

Takeshi SETA, Associate Professor

略歴

東京工業大学工部卒業、東京工業大学大学院博士課程修了、IBM T. J. Watson Research Center、エネルギー総合工学研究所、静岡産業大学経営学部講師、富山大学大学院理工学研究部講師、富山大学大学院理工学研究部准教授、現在に至る

学位・資格等

博士(工学)

専門分野

  • 数値流体力学
  • 格子ボルツマン法

主な業績

  • 格子ボルツマン法における境界滑りの解明
  • 埋め込み境界-熱流動格子ボルツマン法の精度評価

プロフィール

好きなタレント:おぎやはぎ

タチアナ ゾロツキヒナ

タチアナ ゾロツキヒナ講師

Tatiana ZOLOTOUKHINA, Lecturer

略歴

ベラルス国立大学(ミンスク)物理学科 卒業, 熱物質伝達研究所(ミンスク)物理系博士課程 卒業

東京大学工学部工学研究科 研究生, 日本学術振興会研究員, 助教授(寄附講座)

日本原子力研究所特別研究員,  

新エネルギー・産業技術総合開発機産業技術研究員, 科学技術興会機構協同研究員,  

産業技術総会研究所特別研究員、マイクロ・ナノ機能広域発現研究センター

富山大学工学部院理工学研究部 講師

学位・資格等

博士(理学)ソ連の状態認証委員会

専門分野

Nanoscale energy and heat transfer, molecular vibrational (Raman & IR) spectra, graphene sensors

ナノスケールのエネルギーと熱伝達、分子振動(ラマンとIR)スペクトル、グラフェンセンサー

主な業績

平成12年度 第5号議案 日本伝熱学会賞の授賞

学術賞: Interaction of H2 Molecule with Nanoporous Surface:

                     Translation Motion. Thermal Science and Engineering

  1. 8, no.6, 2000

                      代表研究者: Tatiana N. Zolotoukhina

研究業績

格子ボルツマン法関連

論文・発表

著書・編著

  • JSMEテキストシリーズ 機械工学のための数学,分担執筆(2章担当),執筆者:川井昌之,瀬田剛,鈴木雄二,大須賀公一,松野文俊,編集委員:中村仁彦,戸澤幸一,総合校閲者:庄司正弘,発行所:一般社団法人日本機械学会,発売所:丸善出版株式会社,ISBN: 978-4-88898-233-7,2013年8月1日発行
  • JSMEテキストシリーズ 演習 機械工学のための数学,分担執筆(1章担当),執筆者:瀬田剛,市川裕子,稲村栄次郎,平野利幸,三浦慎一郎,青木繁,栗田勝実,編集委員:戸澤幸一,総合校閲者:山澤浩司,発行所:一般社団法人日本機械学会,発売所:丸善出版株式会社,ISBN:978-4-88898-248-1,2015年1月30日発行

Molecular Dynamics method 分子動力学法

論文・発表

  • 1. N. Zolotoukhina, IK Dmitrieva, Correlation Energies of Diatomics Obtained with a Nonlocal Density Functional, Chemical Physics Letters, v. 174, no. 6, 1990, pp. 655-660
  • 2. TN Zolotoukhina, S. Kotake, Ab Initio Study of Intermolecular Potentials for Dimers XO-He (X = N, C), Journal of Chemical Physics, v.99, no.4, 1993, pp. 2855-2864
  • 3. TN Zolotoukhina, Quantum Molecular Dynamics Study of Energy Transfer of Diatomic Molecules to Solid Surfaces, Thermal Science & Engineering, v. 3, no. 4, 1995, pp. 7-15
  • 4. TN Zolotoukhina, Interaction of H 2 molecule with Nanoporous and Surface: Translational Motion, Thermal Science & Engineering, v. 8, no. 6, 2000, pp. 11-22
  • 5. Zolotoukhina, H. Kawaguchi, T. Iwaki, Molecular Dynamic Simulation of Heat Transport in a Nanoribbon by the Thermal Wave at the Different Durations of Pulse Heating, Japanese Journal of Applied Physics, v. 49, 2010, 0 85001 (10 pages)
  • 6. T. Zolotoukhina and Y. Okumura, Spectral Molecular Dynamic Analysis of Coherent Phonon Propagation in Nanoribbon after Pulse Heating, Journal of Thermal Science and Technology, v. 7, no. 1, 2012, pp. 301-312

著書・編著

  • B. A. Cola, H. Daiguji , C. Dames, N. Fang, K. Fushinobu ,S. Inoue, G. Kikugawa, M. Kohno, S. Kumar, D. Y. Li, J. R. Lukes, J. A. Malen, A. J. H. McGaughey, O. Nakabeppu, K. Pipe, P. Reddy, S. Shen, L. Shi, Report on the Seventh U.S.–Japan Joint Seminar on Nanoscale Transport Phenomena—Science and Engineering, Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering, v.17, 2013, pp. 25–49

その他の業績

  • 2003年 日本機械学会奨励賞(研究)2002
  • 2007年 日本伝熱学会 北陸信越支部賞 研究奨励賞
  • 2018年 日本計算数理工学会 2018年度論文賞

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