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【流体】粒子法あれこれ vol.6|液体と固体のハザマ

◆まずはおさらい「粘度ってなんだ?」
粘度は、液塊が周囲の動きにひっぱられる程度を表す量です。 値が大きいほど周囲と一緒に動こうとします。 流体は、粘度が流れのせん断速度に依存する非ニュートン流体と、 依存しないニュートン流体に分類できます。


◆粘度の測定方法
粘度計は大きく分けて3種類あります。


▶回転粘度計
部品を回転させてはかる方法です。 回転速度を時間変化させると、せん断速度依存性が計測できます。


▶毛細管粘度計
細い管を通過する速度をはかる方法です。


▶落球式粘度計
液体中を固体が落下する時間を計る方法です。
ただし、毛細管粘度計、落球式粘度計は一度の測定で一つの粘度の値しか測定できません。 そのため、せん断速度に粘度が依存する非ニュートン流体の測定には向いていません。 非ニュートンの場合、回転粘度計(特にレオメーター)を使用してください。


なお、粘度計は自治体の産業支援センター等が所持していることが多いです。 また、測定を請け負う企業もありますので、もし粘度計をお持ちでない場合は こういった団体にお願いする手段もあります。


◆そのうち粒子法で計算できるようになるかもシリーズ第一弾「チクソトロピー」
液体に加えていた力を解放した際に、加えていたせん断による粘度変化が しばらく液体にのこってしまう性質を持つ物があります。 極端な例では、そっと踏んでも流動せずもがくとはまる底なし沼があげられます。


この粘度の回復が時間に依存する性質をチクソトロピーといいます。 (厳密には、せん断をかけた際に粘度が下がり、解放後に時間をかけて 固体に戻っていく性質を指します。) 分散系の物質では、このチクソトロピーが無視できない場合があります。


残念ながら現状では取り扱いができないのですが、もし回復する時間が解析したい時間より長い場合、 無視して計算するのもひとつの方法です。


◆そのうち粒子法で計算できるようになるかもシリーズ第二弾「粘弾性」
スライムに強い力をかけるとぷにぷにと弾性的ですが、放置しておくとゆっくりとダレていく様子が観察できます。 このように流体的な粘性と固体的な弾性の挙動両方を示す物体を粘弾性といいます。 特にゴムやプラスチックなどの高分子で顕著な性質です。


粘弾性の物質で、よく知られている現象があります。 ワイゼンベルグ効果とバラス効果です。


▶ワイゼンベルグ効果
粘弾性の物質をコップに入れ、箸を中央に刺します。 ぐるぐる箸を回転させると、液体が箸に絡みつくように上昇していきます。 この現象はワイゼンベルグ効果と呼ばれています。




ワイゼンベルグ効果



▶バラス効果
粘弾性の物質が管から放出すると、出口で管より液体が大きくなります。 たとえば、プラスチックを成形する際、スクリューやダイから押し出された 部分が膨張する現象です。 こちらはバラス効果と呼ばれています。





バラス効果





粘弾性については、現在鋭意開発中とのことです。 実装されましたら、再度ニュースレターで取り上げる日が来るかもしれません。 ワイゼンベルグ現象が計算上再現できるか、我先に試したいと悪巧みしています。


なお、現状の機能でどうしても粘弾性がやりたいな、という場合、粉-液連成で 模擬できる可能性があります。 ただし、パラメータの合わせこみが非常に大変ですのであまりおすすめはできませんが・・。

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