[論文レビュー] Investigating the source of hysteresis in the Soil-Water Characteristic Curve using the multiphase lattice Boltzmann method

Reihaneh Hosseini, Krishna Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2022

Lattice Boltzmann Simulation Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、多相格子ボルツマン法（LBM）を用いたマイクロスケールシミュレーションにより、土壌水分特性曲線（SWCC）におけるヒステリシスの根本的原因を特定した。ヒステリシスは、濡れる際の液体ブリッジの拡大と空気を含む領域の拡大の非対称性に起因する。濡れる際には、小さな孔から大きな孔へと液体ブリッジが拡大・融合し、より大きなマニキュースと低い吸引圧を生じる。一方、乾かす際には、既存の気相クラスターバイドが孔の開口部によって制限され、拡大するのみであり、結果としてより小さなマニキュースと高い吸引圧が生じる。接触角、気体の閉じ込め、インクボトル効果、土壌構造の変化を制御しても、この現象は依然として観察された。

ABSTRACT

The soil-water characteristic curve (SWCC) is the most fundamental relationship in unsaturated soil mechanics, relating the amount of water in the soil to the corresponding matric suction. From experimental evidence, it is known that SWCC exhibits hysteresis (i.e. wetting/drying path dependence). Various factors have been proposed as contributors to SWCC hysteresis, including air entrapment, contact angle hysteresis, ink-bottle effect, and change of soil fabric due to swelling and shrinkage, however, the significance of their contribution is debated. From our pore-scale numerical simulations, using the multiphase lattice Boltzmann method, we see that even when controlling for all these factors SWCC hysteresis still occurs, indicating that there is some underlying source that is not accounted for in these factors. We find this underlying source by comparing the liquid/gas phase distributions for simulated wetting and drying experiments of 2D and 3D granular packings. We see that during wetting (i.e. pore filling) many liquid bridges expand simultaneously and join together to fill the pores from the smallest to the largest, allowing menisci with larger radii of curvature (lower matric suction). Whereas, during drying (i.e. pore emptying), only the limited existing gas clusters can expand, which become constrained by the size of the pore openings surrounding them and result in menisci with smaller radii of curvature (higher matric suction).

研究の動機と目的

• 空気の閉じこめ、接触角ヒステリシスといった既存のメカニズムが提案されてきたが、依然として解明されていない土壌水分特性曲線（SWCC）におけるヒステリシスの根本的要因を特定すること。
• 接触角ヒステリシス、空気の閉じこめ、インクボトル効果、土壌構造の変化といった既知の要因を段階的に除外することで、SWCCヒステリシスの背後にある根本的要因を特定すること。
• すべての従来の要因を制御した理想化されたマイクロスケール条件下でもヒステリシスが継続するかを、数値シミュレーションを用いて調査すること。
• 2次元および3次元の粒状パッキングにおいて、湿潤（注入）と乾燥（排水）の過程におけるマイクロスケールの液体相および気体相の分布を比較し、ヒステリシスを引き起こす構造的差異を同定すること。
• 観察されたヒステリシスが、マクロな土壌特性や境界効果とは無関係に、孔の満たされ方と空き方の動的性質に起因するものであるかどうかを特定すること。

提案手法

• 多相格子ボルツマン法（LBM）を用いて、液体-気体界面および毛細管力の正確なモデル化を可能にするマイクロスケールの流体力学をシミュレートした。
• 接触角ヒステリシスの寄与要因を排除するために、一定の平衡接触角を用いた。
• 全システムに均一に液体注入および排水を適用し、インクボトル効果や空気の閉じこめを回避するため、湿度室を模倣した。
• 土壌の体積変化に起因する構造変化を排除するため、全シミュレーション中に粒子位置を固定した。
• 2次元および3次元の多様な複雑性を持つ粒状パッキングにおいて、湿潤および乾燥サイクルにおける液体および気体相の分布の変化を追跡した。
• 体積飽和度（S_r）の異なる段階で相分布を分析し、特にクラスタ形成、マニキュースの曲率、注入および排水時の吸引圧に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 接触角ヒステリシス、空気の閉じこめ、インクボトル効果といった既知要因が制御された状態でも、土壌水分特性曲線（SWCC）に持続的なヒステリシスが生じる根本的要因は何か？
• RQ2 孔の満たされ方（湿潤）と空き方（乾燥）のマイクロスケールでのダイナミクスにどのような相違があり、液体-気体界面のどの構造的特徴が吸引圧の差異を生じさせるのか？
• RQ3 注入と排水の過程における液体および気体相の分布が、どの体積飽和度（S_r）で一致し始めるか？これは毛細管平衡の開始時期に何を示唆するか？
• RQ4 3次元大規模モデルにおいて、極めて低い水分含有量であっても、SWCCヒステリシスが全範囲にわたり持続する理由は何か？
• RQ5 注入と排水時の気相クラスタ数およびサイズにどのような差が生じるか？これらの差は、最終的なマトリックス吸引圧にどのように影響するか？

主な発見

• 接触角ヒステリシス、空気の閉じこめ、インクボトル効果、土壌構造の変化を排除しても、SWCCにおけるヒステリシスは依然として持続しており、より深い根本的要因が存在することを示唆している。
• 湿潤（注入）時、複数の液体ブリッジが同時に拡大・融合し、より大きな曲率半径のマニキュースを形成し、低いマトリックス吸引圧を生じる。
• 乾燥（排水）時、既存の気相クラスターバイドが孔の開口部によって制限され、拡大するのみであり、より小さな曲率半径のマニキュースを形成し、高いマトリックス吸引圧が生じる。
• 3次元モデルでは、1つの部屋内に1つの気相クラスタ（真のペンダラル状態を示す）が形成されるのはS_r ≈ 100%にのみに限られ、その場合でも注入と排水の経路における相分布は異なる。
• S_r = 99.7%では、1つの部屋内に1つの気相クラスタが存在するが、注入と排水の吸引圧が一致しており、これはほぼ完全飽和状態でのみ収束が達成されることを示している。
• 孔の満たされ方と空き方のダイナミクスにおける非対称性が、特定の孔構造や境界効果とは無関係に、SWCCヒステリシスの主な要因である。