[論文レビュー] 2D microscopic and macroscopic simulation of water and porous material interaction

E. G. Nikonov, Miron Pavluš+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2017

Gas Dynamics and Kinetic Theory参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、2次元分子動力学（微視的）と巨視的拡散モデルを組み合わせたハイブリッドシミュレーション手法を提案し、スリット状の孔に対する水蒸気の相互作用を検討する。2つのモデルが拡散係数および密度に関して一貫した結果を示し、さまざまな熱力学的条件下での水-孔動的現象のより正確なシミュレーションを実現するためのハイブリッド手法の妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

In various areas of science, technology, environment protection, construction, it is very important to study processes of porous materials interaction with different substances in different aggregation states. From the point of view of ecology and environmental protection it is particularly actual to investigate processes of porous materials interaction with water in liquid and gaseous phases. Since one mole of water contains $6,022140857\cdot 10^{23}$ molecules of $\mathtt{H_2O}$, macroscopic approaches considering the water vapor as continuum media in the framework of classical aerodynamics are mainly used to describe properties, for example properties of water vapor in the pore. In this paper we construct and use for simulation the macroscopic two-dimensional diffusion model describing the behavior of water vapor inside the isolated pore. Together with the macroscopic model it is proposed microscopic model of the behavior of water vapor inside the isolated pores. This microscopic model is built within the molecular dynamics approach. In the microscopic model a description of each water molecule motion is based on Newton classical mechanics considering interactions with other molecules and pore walls. Time evolution of water vapor - pore system is explored. Depending on the external to the pore conditions the system evolves to various states of equilibrium, characterized by different values of the macroscopic characteristics such as temperature, density, pressure. Comparisons of results of molecular dynamic simulations with the results of calculations based on the macroscopic diffusion model and experimental data allow to conclude that the combination of macroscopic and microscopic approach could produce more adequate and more accurate description of processes of water vapor interaction with porous materials.

研究の動機と目的

• 異なる熱力学的条件下における孤立した2次元スリット状孔に対する水蒸気の相互作用を調査すること。
• 微視的分子動力学シミュレーションと巨視的拡散モデリングの間の精度および一貫性を比較すること。
• 多孔質媒体における水-孔相互作用をシミュレートするためのハイブリッドマイクロ-マクロアプローチの実現可能性を評価すること。
• 実験データおよび理論的拡散モデルと照らし合わせて、シミュレーション結果の妥当性を検証すること。
• 微視的および巨視的モデルが、主な輸送特性を予測する際に一致する条件を特定すること。

提案手法

• 2次元孔内におけるH₂O分子の運動をシミュレートするために、Lennard-Jonesポテンシャル（σ = 3.17 Å, ε = 6.74×10⁻³ eV）を用いた古典的分子動力学（MD）を採用した。
• 水蒸気の輸送を記述するため、Bitsadze-Kalinichenkoフレームワークに基づく巨視的2次元拡散モデルを用いた。
• MDシミュレーションを用いて、乾燥および湿潤プロセスにおける時間依存の拡散係数を計算した。
• 温度および圧力の入力を用いて、式 D = (kT / (6πηr)) × (1 / (1 + 2r / (3λ))) を用いて、巨視的モデルからの定常拡散係数を計算した。
• 境界条件への影響を評価するために、外空間スケーリング要因（k = 1, 2, 3）を変化させたシミュレーションを実施した。
• MDモデルと巨視的モデルの間で、時間発展に伴う水蒸気濃度（空間平均を用いて）および分子密度を追跡・比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微視的分子動力学と巨視的拡散モデルは、2次元スリット状孔における水蒸気拡散を予測する際に、どのように比較されるか？
• RQ2 MDシミュレーションから得られた拡散係数は、巨視的拡散モデルから導出されたものとどの程度一致するか？
• RQ3 外部圧力および温度の変化が、孔系の平衡状態および輸送特性に及ぼす影響は何か？
• RQ4 外空間スケーリング（k = 1, 2, 3）が、拡散ダイナミクスおよび系の平衡化に与える影響は何か？
• RQ5 微視的および巨視的モデルが、水蒸気密度および濃度の予測において、どのような条件下で一致するか？

主な発見

• 巨視的拡散モデルは、25 °Cおよびk=2の条件下で1121.58 m²/sの定常拡散係数を算出し、時間平均されたMD結果とよく一致した。
• T₀ = 25 °Cおよびk=2の条件下で、MDシミュレーションは最終的な系の密度が約1.2×10²⁵ molecules/m³であったが、これは巨視的予測と一致した。
• MDシミュレーションからの空間平均水蒸気濃度（w_sm）は、時間の経過とともに巨視的モデルの解に収束し、特にt₀ = 66532 psecで顕著であった。
• T₀ = 25 °Cおよびk=2の条件下で、巨視的モデルは定常拡散係数326.88 m²/sを予測したが、これはMDで推定された平衡状態の値と一致した。
• 分子数が十分に多いMDシミュレーション条件下で、ハイブリッドアプローチは精度が向上し、Norman & Stegailov（2012）の報告を裏付けた。
• 温度に伴い拡散係数は顕著に変化し、Dはk=1、T=15 °Cで1542.39 m²/sからk=3、T=35 °Cで168.95 m²/sに低下し、強い温度依存性を示した。