研究情報
Research information

液滴蒸発によって生成される結晶粒子の乾燥と結晶化の動力学および形状の基本的な理解は、多くの応用分野において極めて重要である。集団バランスモデリングは、乾燥中の液滴内における結晶の生成、成長、拡散の考察により結晶粒径分布(CSD)を予測するための決定論的枠組みを提供する。本研究では、蒸発と結晶化の数学的モデリングで、浮遊する塩水液滴での外殻形成をモデル化する。水の蒸発、熱伝達、および内部溶質（NaCl）の拡散について数値予測を取得する。結晶拡散の影響を考慮し、離散法とモーメント法（MoM）の両方を用いた一次元ポピュレーションバランス方程式（PBE）を解くことで、CSDを予測する。時間経過に伴う液滴サイズの予測変化は、音響的に浮遊させた塩水液滴での実験結果とよく一致する。結晶の生成率および成長率は、表殻形成に至るまでの測定時間、ならびに走査型電子顕微鏡で観察された結晶形成数による予想との照合で推定する。MoMは離散法と比べて計算時間とメモリ要件を大幅に削減する。結晶拡散を考慮するかどうかに関わらず、均一な計算メッシュ上では両手法とも同様の結果を出力するが、液滴表面でメッシュを細分化すると、MoMは収束しなくなる。PBEにおいて結晶拡散を無視すると数値的収束は改善されるが、より細かいメッシュでは予測される結晶数はゼロに近づく傾向がある。本研究では、数値的精度を確保するために、蒸発する液滴におけるPBEを解くための適切な手法を提示する。
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https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.123114