CAE-Yokohama_202510112a

Hemiwicking の解析（続報） ・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 https://www.nature.com/articles/s41598-019-56361-7 第１５回OpenCAE勉強会＠横浜 2025/10/12 1

• https://www.nature.com/articles/s41598-019-56361-7

解析モデル形状＆寸法 InterFoam 使用 L=80、W=40、 Hp=75、 Hd=25 ピラー直径；20、 流入出域；50 (μm) wall_ cuboid Hp outlet inlet Hｄ ｗall floor L W ｇ 2

Hemiwicking の解析 （２４１０横浜） Alpha=0.5 等値面を p-rgh で色付け pillar floor 3

Hemiwicking 解析の問題点 元の動機は“映える”計算結果を出したい ヒント；vapor chamber ・動的接触角の設定 計算の設定は dynamicAlphaContactAngle で可能 ？パラメーターの設定 ？そもそも、(動的)接触角とは何か ⇔ 濡れ ・実験に対応する境界条件設定が必要 入り口面からの流入を 壁面でブロック 初期状態 4

実験方式 https://www.nature.com/articles/s41598-019-56361-7 ・垂直配置 2023_S.Zhang_D.Antao__Micropillar-Arrays.pdf ピラー1列を再現する短冊状モデルで近似 ・水平配置 2025_Y.Lee ,H.Park_etal__Horizontal.pdf 基板上でピラーの２次元配列を再現する必要がある（full ３D） （近似的には短冊状、楔形モデル） 5

• https://www.nature.com/articles/s41598-019-56361-7

解析領域の問題点 Micro Pillar ex. D=20, H=50 10ー６m κー１ ；毛管長 = sqrt(σ/ρｇ） 液面の上昇 ～２.６ｍｍ（空気/水） 液面 Sqrt(2)(1 – sinθ)κー１ ～３ 10ー3m xwicking – xwetting κー１ 基板 de Genne 他 “表面張力の物理学” 6

解析領域の問題点 毛管長スケール と ピラースケールの乖離 ・現象に直接関係ない領域まで 計算領域を拡大 解像度をピラーに合わせると メッシュ数が膨大 計算可能モデル 厳密モデル 対策 ・大きなピラーで計算してみる ・計算領域の工夫 ・境界条件の見直し 境界条件？ 液面 κー１ 7

解析モデルメッシュ ３次元メッシュ（壁面） メッシュサイズ 1/10μm ピラー H＝50/500μm H 流出側 流入側 流入域 底面 8

解析モデルメッシュ Gmsh 使用 ２次元＋押し出し、メッシュサイズ目安 1/10μm 2次元押出し基準面 D=W＝L/2=20/200μm ピラー D 流入口 流入域 W L ピラー１本分 9

境界条件 atmosphere inlet wall_ cuboid outlet sym._plane-2 wall_floor sym._plane-1 inlet outlet α 1 p-rgh U atmosphere wall symmetry InletOutlet θ sym. 0 Ptotal Pffp sym. UpIO UpIO noSlip sym. capillaryRise DamBreak zeroG zeroG 0 0 UpIO Uin-out UpIO pressure Inlet-Outlet Velocity Uin-out Inlet-Outlet Velocity Pffp fixedFluxPressure θ＝３０°(static) 10

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; 11

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;
}
12

計算結果 垂直モデル sym._plane-2 D = L/2 = 200μm、H = 500μm ピラーの上に１mm の空間 atmosphere ・ピラーを拡大、 outlet sym._plane-1 wall_ cuboid wall_floor ・境界条件 初期液面 初期液面 g inlet inlet ３H 13

計算結果 垂直モデル ・atmosphere で alpha の境界条件が zeroGradient InletOutlet inletValue uniform 0 g g 14

計算結果 水平モデル ・ピラー D = L/2 = 20μm、 H = 50μm D = L/2 = 200μm、H = 500μm ・境界条件 初期液面 g 壁面（接触角９０度） 15

計算結果 水平モデル ・ 初期液面 液滴が付着した状態 inlet；壁面で 流入は０ 2.5H 16

計算結果 水平モデル ・ D = L = 20μm、H = 50μm 17

計算結果 水平モデル ・ D = L = 20μm、H = 50μm 真横から ① ② ③ 18

計算結果 水平モデル ・間隙を埋めてゆく液面の上昇 間隙 ① ② ③ ① ② ③ 19

計算結果 ・流れのパターン 曲率増大 給液部 フロント部 常 圧 低 圧 粘性流体流れ （Darcy, Washburn) 20

まとめ ・流体解析による、マイクロストラクチャーの探索 ピラーの形状、配列 溝、メッシュ ・フル３次元モデルは計算量が膨大 解析領域の縮小 メッシュの粗度、粗密制御 モデルの簡略化 メニスカスが進行するフロント部分(２～３列） ＜濡れ、接触線の移動＞ 背後の粘性流 流動抵抗で置き換え ３次元VOF 高速なマシン 21

hemiwicking 解析領域の切り取り 基板 解析領域 Micro Pillar 境界条件？ 22