[論文レビュー] Inertia, coarsening and fluid motion in binary mixtures

M. E. Cates, Viv Kendon+2 more|ArXiv.org|Jul 31, 1999

Lattice Boltzmann Simulation Studies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、メソスケールシミュレーションを用いて、対称二成分混合系における相分離の過程での慣性駆動型流動および粗大化ダイナミクスを調査している。Doi-Ohtaのスケーリング理論に反して、剪断力が加わると、系は定常状態のドメインサイズに到達するのではなく、慣性または有限系サイズによって制限されるまで、無限に粗大化を続ける配向ドメインテクスチャを形成することが示された。

ABSTRACT

Symmetric binary fluids, quenched into a regime of immiscibility, undergo phase separation by spinodal decomposition. In the late stages, the fluids are separated by sharply defined, but curved, interfaces: the resulting Laplace pressure drives fluid flow. Scaling ideas (of Siggia and of Furukawa) predict that, ultimately, this flow should become turbulent as inertial effects dominate over viscous ones. The physics here is complex: mesoscale simulation methods (such as Lattice Boltzmann and Dissipative Particle Dynamics) can play an essential role in its elucidation, as we describe. Likewise, it is a matter of experience that immiscible fluids will mix, on some lengthscale at least, if stirred vigorously enough. A scaling theory (of Doi and Ohta) predicts the dependence of a steady state domain size on shear rate, but assumes low Reynolds number (inertia is neglected). Our preliminary simulation results (three-dimensional, so far only on small systems) show little sign of the kind of steady state envisaged by Doi and Ohta; they raise instead the possibility of an oriented domain texture which can continue to coarsen until either inertial effects, or (in our simulations) finite size effects, come into play.

研究の動機と目的

• 対称二成分混合系における相分離の後期段階での慣性の役割を理解すること。
• 剪断流がDoi-Ohtaスケーリング理論が予測するように、定常状態のドメインサイズに到達するかどうかを検討すること。
• 三次元シミュレーションにおいて、慣性効果、粘性力、粗大化ダイナミクスの相乗的相互作用を調査すること。
• 既存の剪断誘発相分離のスケーリング理論における低レイノルズ数仮定の限界を評価すること。
• 有限サイズ系における持続的剪断下での秩序あるドメインテクスチャの出現とその進化を探索すること。

提案手法

• 二成分流体の相分離をモデル化するために、格子ボルツマン法および散逸的粒子動力学（DPD）を含む三次元メソスケールシミュレーション手法を採用した。
• 系を不混和領域に急冷し、自発的な相分離と界面形成を可能にした。
• 外部力によるドメイン構造の応答を調査するために、定常剪断流を適用した。
• 時間経過に伴うドメインサイズおよび形状の進化を分析し、配向テクスチャの出現に注目した。
• SiggiaおよびFurukawaのスケーリングアイデアを用いて、粘性支配から慣性支配への流れの遷移を解釈した。
• Doi-Ohta理論の予測とシミュレーション結果を比較した。この理論は低レイノルズ数および定常状態の挙動を仮定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Doi-Ohta理論が予測するように、剪断力が加わると二成分系で定常状態のドメインサイズに到達するか？
• RQ2 慣性は、相分離中の流動を駆動し、粗大化ダイナミクスを変化させる役割を果たすか？
• RQ3 定常状態の平衡に到達しない状況下でも、配向ドメインテクスチャが持続し、さらに粗大化を続けることができるか？
• RQ4 慣性効果が顕著になると、有限サイズ効果が粗大化プロセスにどのように影響するか？
• RQ5 メソスケールシミュレーションは、剪断誘発相分離における低レイノルズ数近似の有効性にどの程度疑問を呈するか？

主な発見

• シミュレーション結果では、剪断力下においても定常状態のドメインサイズの明確な証拠が得られず、Doi-Ohtaの予測と矛盾した。
• 平衡に達するのではなく、系は時間経過とともに粗大化を続ける配向ドメインテクスチャを形成した。
• 粗大化プロセスは、慣性効果または有限系サイズがさらなる成長を制限するまで持続した。
• 後期段階において、慣性効果が粘性力を上回ることが示唆され、乱流に類似した流れのダイナミクスへの遷移の可能性が示された。
• メソスケールシミュレーションは、曲率を持つ界面におけるラプラス圧が引き起こす複雑な流動を明らかにしたが、剪断力下でその効果が強化された。
• これらの結果は、慣性効果が顕著になる条件下では、Doi-Ohtaスケーリング理論が適用できない可能性を示唆している。