CAE-Yokohama_20241026

openFoam による Hemiwicking の解析 ・hemiwicking ローソクの芯 毛管による滲みの現象 ～ 濡れ 超撥水 ⇔ “超” 親水 micropillar array A simple analytic model for predicting the wicking velocity in micropillar arrays | Scientific Reports (nature.com) Prediction of hemiwicking dynamics in micropillar arrays | Physics of Fluids | AIP Publishing 第９回OpenCAE勉強会＠横浜 2024/10/26 1

• https://www.nature.com/articles/s41598-019-56361-7
• https://pubs.aip.org/aip/pof/article/35/8/082115/2907120

解析モデル概要(interFoam) α p-rgh U inlet outlet atmosphere 1 zeroG zeroG 0 pressure 0 0 pressure inletoutlet Velocity inletoutlet Velocity inletoutlet Velocity 壁面は non-slip、 接触角３０° wall_inlet atmosphere wall_ cuboid inlet ｇ outlet mirror_plane wall_floor mirror_plane 2

パラメータ constant/transportProperties system/controlDict water { transportModel Newtonian; nu 1e-5; //1e-06; rho 1000; } air { transportModel Newtonian; nu 1.48e-05; rho 1; } sigma 0.0707106; deltaT 1e-7; runTimeModifiable yes; adjustTimeStep yes; maxCo 0.1; maxAlphaCo 0.1; maxDeltaT 1; 3

system/fvSolution
"alpha.water.*"
{
/*nAlphaCorr
1; //default
nAlphaSubCycles 2;
cAlpha
1; */
nAlphaCorr
2;
nAlphaSubCycles 1;
cAlpha
1;
//icAlpha,scAlpha
MULESCorr yes;
nLimiterIter 5;
solver smoothSolver;
smoother symGaussSeidel;
tolerance 1e-9;
relTol 0;

}
4

解析モデル形状＆寸法 L=800、W=400、 Hp=750、 Hd=250 ピラー直径；200、 流入出域；500 (μm) wall_ cuboid Hp outlet inlet Hｄ ｗall floor L W ｇ 5

解析モデルメッシュ Gmsh 使用 ２次元＋押し出し、メッシュサイス目安 20μm ２D 1-ユニットモデル 流入域 Unit(L) ピラー近傍拡大 6

参考 １-Unit モデル計算結果（α= 0.5 等値面） 7

計算結果(5-Unit model) Alpha=0.5 等値面を p-rgh で色付け pillar floor 8

計算結果(5-Unit model) Alpha=0.5 等値面をUZ(垂直方向速度）で色付け pillar floor 9

計算結果(5-Unit model) Alpha=0.5 等値面をUZ(垂直方向速度）で色付け floor pillar 10

計算結果(5-Unit model) Alpha=0.5 等値面をUZ(垂直方向速度）で色付け floor pillar 11

濡れの進展速度 液先端位置（L) と経過時間（T) 12

capillaryRise Horizontal 版 tutorial の capiｌｌalyRise → Mesh 50x10000 （20x4000) g = (0 0 0) alpha 13

capillaryRise Horizontal 版 tutorial の capirralyRise → Mesh 50x10000 （20x4000) g = (0 0 0) p-rgh 14

capillaryRise Horizontal 版 浸透のメカニズム（模式図） P=0 Hagen-Poiseuille Flow dP/dx= - Pcap/L Laplace 圧 Pcap P=0 L L = sqrt(Dt) D = rσcos（θ)/2η Washburn's equation - Wikipedia 15

• https://en.wikipedia.org/wiki/Washburn's_equation#External_links

capillaryRise Horizontal 版 tutorial の capirralyRise → Mesh 50x10000 （20x4000) g = (0 0 0) Umag 16

流速分布（静止画） 10pillar model X（チャンネル方向）流速成分 pillar の 2/3 の高さの水平断面 液先端 17

ピラー直径 ２００→１００μｍ ピラー表面積低下 ⇔ 流動抵抗の減少 pillar floor 18

ピラー形状 円柱→角柱 初期モデル ほぼ直方体メッシュ(blockMesh) pillar floor 19

ピラーがない場合 初期モデル（5piller) floor 20

CFDはどう役立つか ・液流量の見積もり、最適形状パラメータ探索 L = sqrt(Dt) は確実 D 物性因子(σ/η) 、接触角 構造因子（ピラーの直径、高さ、ピッチ、配列） 構造最適化 Micro Capillary Array 実験データ・半解析的アプローチの蓄積 CFD 計算能力の壁 ～単純な構造が膨大に集積 １-Unit ０.１ mm（10４ mesh) デバイス １ｃｍ x 1ｃｍ 10８ mesh ・新規構造の開発 Directional Water Wicking on a Metal Surface Patterned by Microchannels (mdpi.com) 21

• https://www.mdpi.com/1996-1944/14/3/490

CFDはどう役立つか ・計算の基礎に対する検討 濡れ・接触角の物理モデル(前進/後退、履歴) spurious current の悪影響は？ 22

計算機環境 全て仮想計算機（Virtual Box） ・OFv2312 U20.04 23