■ 概要
　このウェブページでは、流体運動に関する新しい数値流体力学(CFD)計算手法・モデル化手法である、格子ボルツマン法(Lattice Boltzmann Method, LBM)[1-7]とフェーズフィールドモデル( Phase Field Model, PFM )[2,8]に基づく数値流体モデルと計算法の開発、およびLBM,PFM-CFD計算法を用いた数値実験（コンピュータシミュレーション）結果を紹介しています。それら結果を、複雑な流体現象メカニズムの微視的スケールからの解明と、現象を制御・利用する各種流体デバイス・機器・統合システム・プロセスの研究・開発に役立てています。[9-39]。

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■ 適用事例

（１）二酸化炭素の海洋固定技術に関する研究
　温暖化ガスの１つである二酸化炭素（CO₂）を大気中に放出せずに海水に溶け込ませることによって、地球の急激な温暖化を防ぐ技術が開発されています。その中の一つの方法として、CO₂を気体の状態で海の中に吹き込んで泡をつくり、その泡が上昇しながら水に解けることを利用して低コストで効率良くCO₂を海水中に閉じ込める「GLAD (Gas-lift Advanced Dissolution) システム」が提案され、その泡の動きを予測するための計算を行いました。

 

Fig. 1 円管内静止液中を上昇する2気泡の合体

（２）閉鎖性水域の水質改善を目的としたマイクロバブル生成機構の研究 [13][14][15]
　水の流れが悪く、酸素が不足しがちな湾や湖の水質を良くするため、非常に小さな空気の泡（直径は約50分の1ミリメートル）を水に吹き込んで酸素を増やし、微生物の働きを活発にさせることで、汚れた水をきれいにする技術が開発されています。その泡（マイクロバブル）を効率良く作るにはどんな構造の機械を設計すれば良いかを考えるため、１つの泡が水の回転で引き伸ばされて分裂し、もっと小さなたくさんの泡が生まれる現象をLBMシミュレーションによって予測しました。

 

Fig. 2 周期的な一様せん断流れ場に浮遊する液滴の変形・分裂 [Updated on Feb.15,2005.]

（３）複雑多孔性物体内の流動現象予測に関する研究
　LBMは、流れの中にある複雑な形状の物体に対する境界条件を容易に計算することが出来ます。この利点を活用して、マイクロフォーカスX線CT装置で計測したラットの大腿骨や地層サンプルのような多孔質性物体の3次元微細構造データをLBMの数値解計算に取り込んでマイクロ流動現象を再現するとともに、新しい計算コードを開発して物質移動の数値的な予測の高精度化を検討しています。

 

Fig. 3 ラット大腿骨内部の仮想的な流れのLBMシミュレーション

（４）電子デバイス直接冷却に関する液体流れの解明と試作冷却ユニット基本熱特性評価
　近年、クラウドコンピューティングや携帯端末等を利用した情報・通信ネットワーク環境の高度化と各種サービスの拡大に伴って情報通信機器関連の消費電力量が増大しています。膨大な発熱を伴う高集積度デバイス・機器・データセンターの冷却の消費電力を低減できるよう、室内空調を効率化する建築構造の改良や、単相状態の液体や沸騰凝縮を伴う冷媒を利用した冷却システムの開発と導入が国内外で進められています。本研究は、上述のGreen ITの推進に寄与すべく、電子デバイス・機器が集積する各種装置や情報通信施設の冷却用消費電力の低減を目的として、デバイス直接搭載・小型冷却ユニット内の液単相流れと固体・流体内部の熱移動に関する数値シミュレーションを実施しました [32]。使用したCFDシミュレーション解析コードは、熱移動も計算できるよう、上記（３）等これまでの研究課題でLBMに基づき開発したコードを拡張したものです。

Fig. 5 矩形流路内温度分布の変化に対する障害物で誘起される乱流効果の評価（等温面を表示）

謝辞　本成果は，VTT（Technical Research Centre of Finland, フィンランド国立技術研究センター）、Tekes（The Finnish Funding Agency for Technology and Innovation, フィンランド技術庁）、フィンランド国内民間企業数社および産総研の共同研究プロジェクトで得られたものです。関係者各位への謝意をここに表します。

（５）フレキシブル大面積表示デバイスのための中空繊維状基材内微小セル構造作製プロセス開発
　柔軟で薄型の新しいタイプの大面積表示デバイス用途に、中空繊維状基材内で規則的セル状構造を連続作成するためT字型マイクロ流路内の気泡・液滴（スラグ）形成パターンを利用する新しいMEMS製造プロセスを開発しました^(1),(2)。T型流路では支流側分散相が主流側連続相へ垂直合流することにより各相スラグが交互に形成されます．上記プロセスによる高品位デバイス製造に必要なスラグ均一化制御には形成の理解と予測が重要です。そこで、連続相が水、分散相が空気またはシリコーンオイルの系に対して、スラグ形状・速度・圧力の実験計測^(3),(4)、Phase-field Model (PFM)^(5),(6)に基づく有限要素法(FEM)^(7),(8)及びLBM [33,34,35]による数値実験を通してスラグ形状への物性及び流量の影響を検討しました。
　下のFig.5で使用した解析コードは、上記（１）の熱移動単相流解析コードを、PFMに基づく二相流体界面形成・張力計算機能の追加[33,34,35]により拡張したものです。

Fig. 6 T字型混合矩形断面マイクロ流路内液液二相系スラグ液滴連続形成.【動画(WMV,506KB)】 [33,34,35,36,37]

謝辞　上図での数値解析手法は、総合科学技術会議が制度設計した最先端研究開発支援プログラム（FIRST）採択課題「マイクロシステム融合研究開発」（江刺プロジェクト）への日本学術振興会（JSPS）による助成で開発されました（2011〜'13年度成果, 終了）。また、数値実験結果は、（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）「異分野融合型次世代デバイス製造技術開発プロジェクト（BEANS Project）」で得られました（2011〜'12年度成果, 終了）。関係者各位への謝意をここに表します。

（６）ディーゼルエンジン排気フィルタ（DPF）煤堆積の流動現象予測に関する研究・開発
　燃料効率と耐久性に優れるディーゼルエンジンは，トラック，トレーラー，バスなどの大型商用車両を中心に搭載が普及し，一般乗用車を含めた世界のディーゼル車シェアは徐々に増加しています．しかし，ディーゼル排ガスは，窒素酸化物や，すすを含む粒状物質(PM)のような大気環境汚染物質を多く含有し，人体の呼吸器系等に重大な悪影響を及ぼします．この理由から，より厳格な排出規制の設定が我が国を含めて様々な国で進められています．PMに関しては，多孔質構造を使って吸着除去するディーゼル微粒子捕集フィルター（Diesel Particulate Filter, DPF）が開発されていますが，更なる環境改善に繋がるDPFの高度化が求められています．本課題では，DPFの再生技術の確立を目指し，室内実験に加えて，高空間解像度のＸ線CT計測で得たDPF内構造データを境界条件に利用するガス流れの数値シミュレーションを通してPM堆積モデリングを実施しています [25-30,31]。

Fig. 4 X線CT計測で得られた多孔質体の構造と内部ガス流れのシミュレーション結果 [Updated on May 2, 2021.]

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 格子ボルツマン法(Lattice Boltzmann Method, LBM)：[1,2,3,4,5,6,7]

LBMは、連続体としての流体を仮想的な粒子の集合体とみなし，粒子が繰り返す衝突の相互作用と並進を通してマクロスケールの流体現象を創発的に再現する統計力学的モデル化手法で、格子気体セルオートマトン(LGCA)法に基づいて1988年に提案されました。

LBMは、次のような長所を持っています。

(1) 並列計算への高い適応性

(2) 複雑形状の物体に対する境界条件の容易性

(3) 多相流体界面の自己組織的な再現

以上の長所を活かして、LBMの研究では、単相流のみならず，多相流，磁性流体運動，熱対流，砂岩中の微視的流動，多孔質媒体中の非Newton流体流れ等，様々な工学分野における複雑な流動現象のモデル開発と数値解析が進められてきました．現在は、LBM解析のソフトウェアが市販され、自動車メーカーによって利用されている一方，多相流体モデルの開発や数値シミュレーションへの適用に関する研究が国内外において精力的に行われています。

 

Fig. 7 格子ボルツマン法の概念図

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 References / 参考文献

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[13] Takada, Naoki; Tsutahara, Michihisa; Yamakoshi,Yasuhiro. Numerical Simulation of Compressible Fluid by Lattice Boltzmann Method. Proceedings of the Second Asian Computational Fluid Dynamics Conference, Vol. 1, p. 256-260, Paper No.ACFD2-2C4, Tokyo, Japan, December 15-18, 1996. [*1]

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[44] Sato, Minoru; Panaghi, Kamran; Takada, Naoki; Takeda, Mikio. Effect of Bedding Planes on the Permeability and Diffusivity Anisotropies of Berea Sandstone. Transport in Porous Media (Transp. Porous Media). 2018, Vol. -, p. -. [ doi:10.1007/s11242-018-1214-z ][Abstract][AIST RRPDB]
[ Addition on February 7, 2019 ]

[45] Takada, Naoki; Mogi, Katsuo; Takaki, Tomohiro; Someya, Satoshi; Baba, Soumei; Saito, Shimpei. Microfluidic simulations of droplet motion on structured solid surface using phase-field lattice Boltzmann method. Multiphase Science and Technology (Multiph. Sci. Technol.). 2022, Vol. 34, No. 3, p. 17-33. [ doi:10.1615/MultScienTechn.2022043657 ][Abstract][Researchmap]
[ Update on November 6, 2022 ]

[46] Seta, Takeshi; Yamamoto, Keiichi; Yoshino, Masato; Takada, Naoki; Matsukuma, Yosuke; Yamamoto, Kazuhiro; Hayashi, Kosuke; Kimura, Hidehito; Tomiyama, Akio. Lattice Boltzmann method for multiphase and multicomponent flows: A review. Multiphase Science and Technology (Multiph. Sci. Technol.). 2022, Vol. 34, No. 3, p. 47-61. [ doi:10.1615/MultScienTechn.2022044039 ][Abstract][Researchmap]
[ Addition on November 6, 2022 ]

[47] Other references ( References in Phase-field CFD web page ) .

[48] Other publications ( in Naoki TAKADA's web page ).

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Links / LBM関連Webサイトリンク

・Research and Development of Computational Fluid Dynamics (CFD) Methods Based on Phase-Field Model (PFM) for Interface-Tracking Simulations of Two-Phase Flows
フェーズフィールドモデル(PFM)に基づく二相流界面追跡CFD手法の研究・開発
[ Update on December 1, 2014. ]

・第28回数値流体力学シンポジウム ( JSFM 28th Computational Fluid Dynamics Symposium (CFD2014) )
【主催】 一般社団法人日本流体力学会
【日時】 2014年12月 9日(火)〜11日(木)
【会場】 タワーホール船堀 (〒134-0091 東京都江戸川区船堀4-1-1, Access)
【Organized Session】OS2-3: 離散要素型解法（粒子法，格子ボルツマン法，渦法，MDなど） / Discrete element-based numerical solution methods
[ Addition on August 13, 2014 ]

・日本混相流学会 混相流シンポジウム2014
【日時】 2014年 7月28日(月)〜30日(水)
【会場】 北海道立道民活動センター 「かでる2・7」（〒060-0002 札幌市中央区北2条西7丁目, Access）
【Organized Session】 OS-2 メゾスケール構造の数値解析 (OS-4と合同開催) (Keywords：数値流体力学，格子ガス法，格子ボルツマン法，粒子法，多相流，圧縮性流体，熱流体力学)
[ Addition on July 6, 2014 ]

・第27回数値流体力学シンポジウム ( JSFM 27th Computational Fluid Dynamics Symposium -CFD2013- )
【主催】 一般社団法人日本流体力学会
【日時】 2013年12月17日(火)〜19日(木)
【会場】 名古屋大学 コンベンションセンター (〒464-8601 愛知県名古屋市千種区不老町, Access&Campus Map)
【Organized Session】OS2-3: 離散要素型解法（粒子法，格子ボルツマン法，渦法，MDなど） / Discrete element-based numerical solution methods

・日本混相流学会 混相流シンポジウム2013
日時: 2013年 8月9日(金)〜11日(日)
会場: 信州大学 長野（工学）キャンパス（〒380-8553 長野県長野市若里4-17-1, Access & Campus Map ）
■OS-2 メゾスケール構造の数値解析 (OS-4と合同開催) (Keywords：数値流体力学，格子ガス法，格子ボルツマン法，粒子法，多相流，圧縮性流体，熱流体力学)

・第19回LBM研究会
【主催】 一般社団法人日本機械学会 流体工学部門 A-TS05-19 格子ボルツマン法の基礎と応用に関する研究会
【共催】 日本混相流学会 研究企画委員会 メゾスケール構造の数値解析 分科会
【日時】 2013年 6月 7日(金) 13:00-17:30
【会場】 独立行政法人海洋研究開発機構(JAMSTEC) 横浜研究所 三好記念講堂（〒236-0001 神奈川県横浜市金沢区昭和町3173-25 (Access Map) ）

・第18回LBM研究会
日時: 2012年12月14日(金) 13:30-17:30
会場: 財団法人 計算科学振興財団(FOCUS) セミナー室 （〒650-0047 兵庫県神戸市中央区港島南町7丁目1番28号 計算科学センタービル2階 (Access Map) ）

・第17回LBM研究会 (JSME FED - JSMF Joint 17th LBM Meeting)
日時: 2012年 6月22日(金) 13:30-17:30
会場: 神戸大学東京六甲クラブ会議室（〒100-0005 東京都千代田区丸の内3-1-1 帝劇(帝国劇場)ビル 地下2階(商業フロア内), Access Map:(1),(2) ）

・21st International Conference on the Discrete Simulation of Fluid Dynamics (DSFD2012)
第21回流体力学離散シミュレーション国際会議
Date ：July 23-27, 2012 / 2012年(平成24年) 7月23日-27日
Place：Bangalore, India / バンガロール, インド

・日本流体力学会 第25回数値流体力学シンポジウム ( JSFM 25th Computational Fluid Dynamics Symposium -CFD2011- )
日時: 2011年12月19日(月)〜21日(水)
会場: 大阪大学 コンベンションセンター (〒565-0871大阪府吹田市山田丘1-1, Access&Campus Map)
OS2-3: 離散要素型解法（粒子法，格子ボルツマン法，渦法，MDなど） / Discrete element-based numerical solution methods

・日本流体力学会 第24回数値流体力学シンポジウム ( JSFM 24th Computational Fluid Dynamics Symposium -CFD2010- )
日時: 2010年12月20日(月)〜22日(水)
会場: 慶應義塾大学日吉キャンパス (横浜市港北区日吉4-1-1, Access)
OS6: 格子ボルツマン法 / Lattice Boltzmann method

・日本流体力学会 第23回数値流体力学シンポジウム ( JSFM 23th Computational Fluid Dynamics Symposium -CFD2009- )
日時: 2009年12月16日(水)〜18日(金)
会場: 仙台市民会館 (〒980-0823 宮城県仙台市青葉区桜ヶ岡公園4-1, Access)
OS7: 格子ボルツマン法 / Lattice Boltzmann method

・日本流体力学会 第20回数値流体力学シンポジウム ( JSFM 20th Computational Fluid Dynamics Symposium -CFD2006- )
日時: 2006年12月18日(月)〜20日(水)
会場: 名古屋大学 東山キャンパス ( 愛知県名古屋市千種区不老町, Access(subway)&Campus Map )
OS 6. 格子ボルツマン / Lattice Boltzmann Method

・日本機械学会 第19回計算力学講演会 ( JSME 19th Computational Mechanics Conference )
日時: 2006年11月3日(金)〜5日(日)
会場: 名古屋大学 東山キャンパス ( 愛知県名古屋市千種区不老町 )
OS 24. 混相流のモデリングとシミュレーション / Modelling and Simulation of Multiphase Flows
OS 27. 格子ボルツマン・ガス法 / Lattice-Gas Cellular Automata and Lattice Boltzmann Methods

・The 15th International Conference on Discrete Simulation of Fluid Dynamics (DSFD2006)
第15回流体力学離散シミュレーション国際会議
Date ：August 21-25, 2006 / 2006年(平成18年) 8月21日-25日
Place：University of Geneva, Geneva, Switzerland / ジュネーブ大学, ジュネーブ, スイス

・格子ボルツマン法の基礎と応用に関する研究分科会 ( (社)日本機械学会 流体工学部門, A-TS05-19 )

・日本機械学会 第18回計算力学講演会 (JSME 18th Computational Mechanics Conference)
2005年11月19日(土)〜21日(月), 筑波大学春日キャンパス( Access & Map ).
OS-30.格子ボルツマン・ガス法 / Lattice-Gas Cellular Automata and Lattice Boltzmann Methods [ 11月20日(日)14:15-17:30, 第1室(101講義室), 計11件. ]

・The 14th International Conference on Discrete Simulation of Fluid Dynamics in Complex Systems (DSFD2005)
　第14回複雑系流体力学離散シミュレーション国際会議
　Date ：August 22-26,2005 / 2005年8月22日-26日
　Place：Kyoto University Clock Tower Centennial Hall / 京都大学百周年時計台記念館
　　　　　( Yoshida Campus, Kyoto, Japan./ 吉田キャンパス,〒606-8501京都市左京区吉田本町 )
　　　　　Access & Map ( English / Japanese )

・The Second International Conference for Mesoscopic Methods in Engineering and Science (ICMMES-2005)
July 26-29, 2005, Hong Kong Polytechnic University(HKPU), Hong Kong, China.

・13th International Conference on the Discrete Simulation of Fluid Dynamics (DSFD2004)
August 16-20, 2004, The Marriott Hotel, Kendall Square, Cambridge, Massachusetts, USA.

・10th International Conference on the Discrete Simulation of Fluid Dynamics
July 2-7, 2001, Cargese, Corse, France.

・International Symposium on the Discrete Simulation of Fluid Dynamics/LGA'99
July 28-30, 1999, Sanjo Conference Hall, The University of Tokyo, Tokyo, Japan.

・7th International Conference on the Discrete Simulation of Fluids
July 14-18, 1998, University of Oxford, UK.

・6th International Conference on Discrete Models for Fluid Mechanics
August 26-28, 1996, Center for Computational Science, Boston University, Boston, Massachusetts, USA.

・AIST Microfluidics Group ( マイクロ熱流体研究グループ, 2006年4月1日〜2010年3月31日, 産総研 先進製造プロセス研究部門 )

・複雑現象工学研究グループ ( 〜2006年3月31日, 産総研 先進製造プロセス研究部門,マイクロフォーカスX線CT装置開発・所有 )

・Computational Thermal Fluid Dynamics Laboratory @ Shinshu University (信州大学 工学部 機械システム工学科 吉野研究室): 格子ボルツマン法, 多孔質体内流れ, 混相流, 熱物質輸送現象

・Fluid Dynamics Laboratory @ Kyoto University (京都大学 工学研究科 航空宇宙工学専攻 流体力学研究室): 格子ボルツマン法, Boltzmann方程式, 希薄気体力学

・Heat Transfer & Combustion Engineering Lab. (名古屋大学大学院 工学研究科 機械理工学専攻 機械科学分野 環境・エネルギー工学講座 伝熱燃焼工学グループ)

・Ohashi Laboratory (大橋研究室,東京大学大学院工学系研究科): 格子ガス法, 格子ボルツマン法, 実数格子ガス法

・環境・数理工学研究室, 富山大学工学部 機械知能システム工学科 エネルギー・環境工学講座: 格子ボルツマン法, 混相流, 相転移，伝熱 （ 研究紹介[1],[2] ）

・Minemoto Laboratory（九州大学大学院工学研究院化学工学部門第5講座 峯元研究室 -環境システム工学講座-：格子ガス法、格子ボルツマン法)

・Quick Flow：新村裕昭研究員（東京大学）のページ．

・流体エネルギー形態学研究室（神戸大学大学院自然科学研究科）：格子ボルツマン法による流れのシミュレーション

・ NII Academic Research Database Repository [ NII-DBR top ]

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