JP6985573B2 - Porous structure evaluation method, structure evaluation device, and structure evaluation program - Google Patents

Porous structure evaluation method, structure evaluation device, and structure evaluation program Download PDF

Info

Publication number
JP6985573B2
JP6985573B2 JP2018223034A JP2018223034A JP6985573B2 JP 6985573 B2 JP6985573 B2 JP 6985573B2 JP 2018223034 A JP2018223034 A JP 2018223034A JP 2018223034 A JP2018223034 A JP 2018223034A JP 6985573 B2 JP6985573 B2 JP 6985573B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
porous body
flow
pores
flow path
path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018223034A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2020085751A (en
Inventor
脩史 南郷
Original Assignee
ラトックシステムエンジニアリング株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ラトックシステムエンジニアリング株式会社 filed Critical ラトックシステムエンジニアリング株式会社
Priority to JP2018223034A priority Critical patent/JP6985573B2/en
Publication of JP2020085751A publication Critical patent/JP2020085751A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6985573B2 publication Critical patent/JP6985573B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Description

本発明は、多孔体の構造評価、特に流体抵抗についての評価に関する。 The present invention relates to structural evaluation of a porous body, particularly evaluation of fluid resistance.

車の排ガスフィルターや燃料電池に用いられる多孔体は触媒作用を持つ。触媒は流体と接する細孔表面において反応が進行することから評価項目は細孔径とともに細孔表面積が重要となる。 Porous media used in car exhaust gas filters and fuel cells have a catalytic action. Since the reaction of the catalyst proceeds on the surface of the pores in contact with the fluid, the surface area of the pores is important as well as the diameter of the pores as an evaluation item.

表面積を増加させる要素には、表面凹凸や流路本数、ループ数等がある。また、排ガスフィルターはガスの流れを用いて排ガス中の有害物質の濾過を行うため、流れの持つ性質もフィルタ性能に関与すると考えられる。 Factors that increase the surface area include surface irregularities, the number of flow paths, the number of loops, and the like. In addition, since the exhaust gas filter uses the flow of gas to filter harmful substances in the exhaust gas, it is considered that the properties of the flow also contribute to the filter performance.

従来、数nm〜数100μmの多孔体の連通性の解析には水銀圧入法やガス吸着法が用いられてきた。これらの方法は水銀やガスを多孔体に注入し、圧と流量の時間変化からモデル式により細孔径分布を算出する間接的な計測方法である。 Conventionally, a mercury intrusion method or a gas adsorption method has been used for analysis of the communication property of a porous body having a diameter of several nm to several 100 μm. These methods are indirect measurement methods in which mercury or gas is injected into a porous body and the pore size distribution is calculated by a model formula from changes in pressure and flow rate over time.

また、非特許文献1では、CT(Computed Tomography)画像から骨を抽出し骨の形態的特徴を算出し、電気回路モデルを用いたネットワーク構造と力学強度の評価も行っている。さらに、特許文献1では、フィルタの流路について電気回路モデルを利用することも示されている。 Further, in Non-Patent Document 1, bone is extracted from a CT (Computed Tomography) image, the morphological characteristics of the bone are calculated, and the network structure and the mechanical strength are evaluated using an electric circuit model. Further, Patent Document 1 also shows that an electric circuit model is used for the flow path of the filter.

特開2016−97121号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-97121

南郷脩史, 骨粗鬆症による腰椎脆弱性の評価, Osteoporosis Japan, vol.16, no.2, 2008Satoshi Nango, Evaluation of Lumbar Vertebra Vulnerability Due to Osteoporosis, Osteoporosis Japan, vol. 16, no. 2, 2008

ここで、水銀圧入法やガス吸着法は、流体の圧、流量などを計測するものであり、細孔の作る流路ネットワークや細孔内の圧や流れの分布は予測することはできない。 Here, the mercury intrusion method and the gas adsorption method measure the pressure and flow rate of the fluid, and the flow path network formed by the pores and the distribution of the pressure and flow in the pores cannot be predicted.

また、3次元(3D)流体シミュレーションによる解析も用いられている。これによって、細孔の作る流路での流体の挙動を知ることができる。しかし、計算コストが高いこと、およびモデルサイズが実用規模ではない等の課題を有している。 Analysis by three-dimensional (3D) fluid simulation is also used. This makes it possible to know the behavior of the fluid in the flow path created by the pores. However, there are problems such as high calculation cost and the model size is not a practical scale.

非特許文献1、特許文献1などの手法を細孔の作る流路ネットワークの評価に利用することもできるが、3D流体シミュレーションのような解析を行うためには、流体の性質を反映した改良が必要である。 Methods such as Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 can be used to evaluate the flow path network created by pores, but in order to perform analysis such as 3D fluid simulation, improvements that reflect the properties of the fluid are required. is necessary.

本発明は、CT画像を用い多孔体の構造を評価する多孔体の構造評価方法であって、CT画像から細孔を検出し、検出された細孔について、楕円柱が連結されたモデルに近似し、各楕円柱について、ポアズイユ流れ(Poiseuille Flow)を仮定した。流れの抵抗をパイプ両端の圧力差割る流量と定義する。本抵抗は断面積の2乗に反比例する。断面積の2乗に反比例する流路抵抗を計算し、計算された流路抵抗に基づいて多孔体の構造を評価する。 The present invention is a method for evaluating the structure of a porous body using a CT image, in which pores are detected from the CT image, and the detected pores are approximated to a model in which elliptical columns are connected. Then, for each elliptical column, Poiseuille Flow was assumed. The flow resistance is defined as the flow rate that divides the pressure difference between both ends of the pipe. This resistance is inversely proportional to the square of the cross-sectional area. The flow path resistance that is inversely proportional to the square of the cross-sectional area is calculated, and the structure of the porous body is evaluated based on the calculated flow path resistance.

また、多孔体は、入口領域と出口領域を有し領域に圧力差を与え、各楕円柱における流体の流量、流速、またはパワーを含む流れ指標を求めるとよい。
下記の条件の下で交点の圧と枝の流量を求める。
(1)交点における入出する流量の和は0である。

Figure 0006985573
(2)始終点間の圧力の合計(始点圧−終点圧)は経路によらず一定である。
Figure 0006985573
Further, the porous body may have an inlet region and an outlet region, apply a pressure difference to the region, and obtain a flow index including the flow rate, the flow velocity, or the power of the fluid in each elliptical column.
Obtain the pressure at the intersection and the flow rate of the branches under the following conditions.
(1) The sum of the flow rates entering and exiting at the intersection is 0.
Figure 0006985573
(2) The total pressure between the start and end points (start point pressure-end point pressure) is constant regardless of the path.
Figure 0006985573

また、検出された細孔の中で、入口領域から出口領域に至る貫通パスを抽出し、抽出した貫通パスについて構成する枝のパワーや抵抗合計、流量平均、流速平均、いずれかを含む流れ指標を求めるとよい。 In addition, among the detected pores, the penetration path from the inlet region to the exit region is extracted, and the flow index including any of the power and resistance total, flow rate average, and flow velocity average of the branches constituting the extracted penetration path. You should ask for.

また、抽出した貫通パスを多孔体中の3次元位置として表示するとともに、求められた流れ指標の中の1つを選択し、選択された流れ指標の大きさを、表示する貫通パスの表示属性を対応させて表示するとよい。 In addition, the extracted penetration path is displayed as a three-dimensional position in the porous body, and one of the obtained flow indexes is selected, and the size of the selected flow index is displayed. Should be displayed in correspondence with.

また、抽出した貫通パスについて、選択された流れ指標の大きいものを選択し、選択された貫通パスのみを表示するとよい。 Further, it is preferable to select the extracted penetration path having a large selected flow index and display only the selected penetration path.

また、本発明は、CT画像を用い多孔体の構造を評価する多孔体の構造評価装置であって、CT画像から細孔を検出し、検出された細孔について、楕円柱が連結されたモデルに近似し、各楕円柱について、断面積の2乗に反比例する流路抵抗を計算し、計算された流路抵抗に基づいて多孔体の構造を評価する。 Further, the present invention is a structure evaluation device for a porous body that evaluates the structure of the porous body using a CT image, and is a model in which pores are detected from the CT image and elliptical columns are connected to the detected pores. For each elliptical column, the flow path resistance that is inversely proportional to the square of the cross-sectional area is calculated, and the structure of the porous body is evaluated based on the calculated flow path resistance.

また、本発明は、コンピュータにCT画像を用い多孔体の構造を評価させる多孔体の構造評価プログラムであって、コンピュータに、CT画像から細孔を検出させ、検出された細孔について、楕円柱が連結されたモデルに近似させ、各楕円柱について、断面積の2乗に反比例する流路抵抗を計算させ、計算された流路抵抗に基づいて多孔体の構造を評価させる。 Further, the present invention is a structure evaluation program for a porous body in which a computer is used to evaluate the structure of the porous body using a CT image. The computer is made to detect pores from the CT image, and the detected pores are elliptical columns. For each elliptical column, the flow path resistance that is inversely proportional to the square of the cross-sectional area is calculated, and the structure of the porous body is evaluated based on the calculated flow path resistance.

本発明によれば、多孔体の流体についての流路抵抗を、形状を用いて簡易に計算することができ、流体シミュレーションと同様の結果を得ることができる。 According to the present invention, the flow path resistance of the fluid of the porous body can be easily calculated by using the shape, and the same result as that of the fluid simulation can be obtained.

多孔体の細孔を示す図であり、(a)はCT値を用いて細孔を抽出する前のものであり、(b)は細孔を2値化したものである。It is a figure which shows the pore of a porous body, (a) is the one before the pore is extracted using the CT value, and (b) is the thing which binarized the pore. 細孔の最大直径、骨格線の求め方を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the method of obtaining the maximum diameter of a pore, and the skeleton line. 骨格線のネットワークを示す図である。It is a figure which shows the network of the skeleton line. 流路抵抗モデルにおけるパイプで構成した各枝の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of each branch which made up of a pipe in a flow path resistance model. 多孔体を示す図であり、(a)はCT画像、(b)はCT画像から求められた骨格線を示す。It is a figure which shows the porous body, (a) shows the CT image, (b) shows the skeleton line obtained from the CT image. 多孔体の圧力分布についての3種類の解析結果を示す図であり、(a)は流体シミュレーション、(b)は流路抵抗モデルの解析、(c)は電気回路モデルの解析結果を示す。It is a figure which shows three kinds of analysis results about the pressure distribution of a porous body, (a) shows the analysis result of the fluid simulation, (b) shows the analysis result of the flow path resistance model, and (c) shows the analysis result of the electric circuit model. 多孔体の流速分布についての3種類の解析結果を示す図であり、(a)は流体シミュレーション、(b)は流路抵抗モデルの解析、(c)に電気回路モデルの解析結果を示す。It is a figure which shows the analysis result of three kinds about the flow velocity distribution of a porous body, (a) shows the analysis result of the fluid simulation, (b) shows the analysis result of the flow path resistance model, and (c) shows the analysis result of the electric circuit model. 貫通パス選定の手順を示す図であり、(a)は多孔体のCT像、(b)は多孔体の空孔、(c)は空孔の骨格線、(d)貫通パス毎のパワー、(e)はパワーの大きな貫通パス、を示す。It is a figure which shows the procedure of selection of a penetration path. FIG. (E) indicates a penetration path having a large power. 透水性小のSample1の貫通パスおよび流路抵抗モデル、電気回路モデルにおける貫通パスの流れ特性を示す図である。It is a figure which shows the flow characteristic of the penetration path of Sample 1 with small permeability, the flow path resistance model, and the penetration path in an electric circuit model. 貫通パスの曲路率を示す図であり、(a)はSample1、(b)はSample2を示す。It is a figure which shows the curve ratio of a penetration path, (a) shows Sample1 and (b) shows Sample2. 多孔体細孔径分布を示す図であり、(a)はSample1、(b)はSample2を示す。It is a figure which shows the pore diameter distribution of a porous body, (a) shows Sample1 and (b) shows Sample2. 細孔径ヒストグラムを示す図であり、(a)Sample1、(b)Sample2を示す。It is a figure which shows the pore diameter histogram, and shows (a) Sample1 and (b) Sample2. 貫通パスの圧力を示す図であり、(a)はSample1、(b)はSample2を示す。It is a figure which shows the pressure of a penetration path, (a) shows Sample1 and (b) shows Sample2. 貫通パスの流量を示す図であり、(a)はSample1、(b)はSample2を示す。It is a figure which shows the flow rate of a penetration path, (a) shows Sample1 and (b) shows Sample2. 電気回路モデルによる等ポテンシャル面、電流、流路上の消費電力を示す図であり、(a)(b)(c)は電気回路モデルによるSample1の等ポテンシャル面、電流、流路上の消費電力、(d)(e)(f)はSample2の等ポテンシャル面、電流、流路上の消費電力を示す。It is a figure which shows the equal potential surface, the current, the power consumption on the flow path by the electric circuit model, (a) (b) (c) are the equal potential surface, the current, the power consumption on the flow path of Sample1 by the electric circuit model, (a) (b) (c). d) (e) (f) indicate the equipotential surface, the current, and the power consumption on the flow path of Sample2. 本実施形態に係る構造評価のコンピュータによる処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process by the computer of the structure evaluation which concerns on this embodiment.

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described here.

「システム構成」
本実施形態における多孔体の構造評価方法はそのための装置(システム)によって実施されるが、その多孔体の構造評価装置は、多孔体の構造評価プログラムを実行する装置であり、装置形態としては汎用のコンピュータでよい。また、プログラムは、コンピュータで実行できればよく、各種オペレーションシステム(OS)上で動作するアプリケーションプログラムでよい。このようなアプリケーションプログラムは、DVDなどの形態で提供されても、ネットワークを介してダウンロードすることで提供されてもよいし、コンピュータに予めインストールしておいてもよい。
"System configuration"
The method for evaluating the structure of a porous body in the present embodiment is carried out by an apparatus (system) for that purpose, and the structural evaluation device for the porous body is an apparatus for executing a structural evaluation program for the porous body, and is a general-purpose apparatus. Computer is fine. Further, the program may be an application program that runs on various operating systems (OS) as long as it can be executed on a computer. Such an application program may be provided in the form of a DVD or the like, may be provided by downloading via a network, or may be pre-installed on a computer.

「多孔体」
種々の方法で生成された3次元の多孔体構造物が評価対象となり得る。このような多孔体は、例えばガスフィルター、液体フィルタ、燃料電池の電極材料、建築材料として利用される。
"Porous medium"
Three-dimensional porous structures produced by various methods can be evaluated. Such a porous body is used, for example, as a gas filter, a liquid filter, an electrode material of a fuel cell, or a building material.

本実施形態では、数nm〜数100μm径の細孔を持つ多孔体を対象として採用する。このような細孔は、発泡剤を溶媒に混合し高温下で気化させ気泡を作成したり、氷等の溶融材を母材に混合し熱処理等で溶融除去したり、足場材料と共に細孔形成剤をゼル化し凍結乾燥させ細孔形成材を除去したり、高気孔率ゼルから溶融材を除去したりして形成する。 In this embodiment, a porous body having pores having a diameter of several nm to several 100 μm is adopted as a target. Such pores can be formed by mixing a foaming agent with a solvent and vaporizing it at a high temperature to create bubbles, mixing a molten material such as ice with a base material and melting and removing it by heat treatment, or forming pores together with a scaffold material. The agent is made into a zel and freeze-dried to remove the pore-forming material, or the molten material is removed from the high-porosity zel.

<解析モデルの作成>
本実施形態では、X線CT像からモデルを作成する。多孔体における細孔の形状などを表現できれば、他のデータに基づいてモデルを形成してもよい。例えば、FIB SEM(Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope)、TEM(Transmission Electron Microscopy)の3次元画像からのモデル作成も可能である。
<Creation of analysis model>
In this embodiment, a model is created from an X-ray CT image. If the shape of the pores in the porous body can be expressed, a model may be formed based on other data. For example, it is possible to create a model from three-dimensional images of FIB SEM (Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope) and TEM (Transmission Electron Microscopy).

<細孔の抽出>
母材に比し、細孔は空気等密度小の物質で充填されていることから、CT値を用いて細孔を抽出する。図1は多孔体の細孔を示す図であり、(a)はCT値画像。本画像を用いて細孔を抽出する。(b)は細孔を抽出し2値化したものである。ここで、図1(a)では黒が細孔(気孔)を示しており、図1(b)では白が細孔を示している。
<Extraction of pores>
Since the pores are filled with a substance having a small air density as compared with the base material, the pores are extracted using the CT value. FIG. 1 is a diagram showing pores of a porous body, and FIG. 1A is a CT value image. The pores are extracted using this image. (B) is the one obtained by extracting the pores and binarizing them. Here, in FIG. 1 (a), black indicates pores (pores), and in FIG. 1 (b), white indicates pores.

<細孔の直径と骨格線>
図2は、細孔の最大直径、骨格線の求め方を示す説明図である。このように、細孔内に球を詰め、細孔径を細孔内に含まれる球の最大直径として求める。また、球の中心点の軌跡を細孔の骨格線とする。
<Pore diameter and skeletal line>
FIG. 2 is an explanatory diagram showing how to obtain the maximum diameter of the pores and the skeleton line. In this way, the spheres are packed in the pores, and the pore diameter is determined as the maximum diameter of the spheres contained in the pores. Further, the locus of the center point of the sphere is used as the skeleton line of the pores.

<連通孔ネットワーク>
骨格線が求められた場合には、これを接続して、連通孔ネットワークを求める。図3は、骨格線のネットワークを示す図である。まず、多孔体の一領域(例えば、多角形の一面)を入口領域とし、他の一領域を出口領域とし、ここに位置する骨格線の端部を入口In,出口Out(Ct)と定義する。さらに、骨格線の交点をノードNode(Nd)、ノードNdでない端点を終端Tmとする。Nd:Nd、Nd:Tm、Nd:In、Nd:Out等を枝と呼ぶ。そして、枝の端点間の長さをLとする。
<Communication hole network>
When a skeletal line is obtained, connect it to obtain a communication hole network. FIG. 3 is a diagram showing a network of skeleton lines. First, one region of the porous body (for example, one surface of a polygon) is defined as an inlet region, the other region is defined as an outlet region, and the end of the skeleton line located here is defined as an inlet In and an outlet Out (Ct). .. Further, the intersection of the skeleton lines is the node Node (Nd), and the end point other than the node Nd is the terminal Tm. Nd: Nd, Nd: Tm, Nd: In, Nd: Out and the like are called branches. Then, let L be the length between the end points of the branches.

そして、各枝について骨格線に対する直交断面を楕円で近似する。すなわち、短辺長を厚さ(Th)、長辺長を幅(Wd)と定義する。なお、L、Th、Wdは2値化した細孔画像から算出する。断面積Sは、S=π(Th/2)・(Wd/2)である。 Then, the cross section orthogonal to the skeleton line is approximated by an ellipse for each branch. That is, the short side length is defined as the thickness (Th), and the long side length is defined as the width (Wd). L, Th, and Wd are calculated from the binarized pore image. The cross-sectional area S is S = π (Th / 2) · (Wd / 2).

このようにして、図3に示すような、楕円柱の枝からなる連通孔ネットワークを作成することができる。 In this way, it is possible to create a communication hole network consisting of branches of elliptical columns as shown in FIG.

ここで、枝の楕円は、枝の骨格線に直交する断面により周囲を決定できる。例えば、その周囲(細孔の外周)から各点の接線に直交する方向に徐々に(例えば所定距離ずつ)内側に移動する。このような操作を繰り返すことで、中心付近のいずれかの点で、反対方向から移動してきた点同士が接触する。そこで、最初に接触した点において短径を特定する。そして、短径に直交する方向において、操作を繰り返し反対方向からの外周が接触したことで長径を特定する。 Here, the ellipse of the branch can be determined by the cross section orthogonal to the skeleton line of the branch. For example, it gradually moves inward (for example, by a predetermined distance) from its periphery (outer circumference of the pore) in a direction orthogonal to the tangent of each point. By repeating such an operation, points that have moved from opposite directions come into contact with each other at any point near the center. Therefore, the minor axis is specified at the point of first contact. Then, in the direction orthogonal to the minor axis, the operation is repeated and the outer peripherals from the opposite directions come into contact with each other to specify the major axis.

このようにして、長さL方向の一点における近似した楕円を特定することができる。枝(ノード間)において、その長さ方向全体について楕円を特定することで、図3に示すように、各枝についての楕円柱を特定することができる。なお、1つの枝については、両端を楕円に近似してこれらを接続して楕円柱を形成してもよい。 In this way, an approximate ellipse at one point in the length L direction can be specified. By specifying an ellipse in the entire length direction of a branch (between nodes), an elliptical column for each branch can be specified as shown in FIG. For one branch, both ends may be approximated to an ellipse and these may be connected to form an elliptical column.

<流路抵抗モデル>
このように、各枝について、楕円柱が定義できた場合には、これら枝についての流路抵抗を特定する。本実施形態では、Poiseuille Flowを実現する抵抗である断面積の2乗に反比例する抵抗(流路抵抗モデル)とする。
<Flower resistance model>
In this way, if an elliptical column can be defined for each branch, the flow path resistance for these branches is specified. In the present embodiment, the resistance is inversely proportional to the square of the cross-sectional area, which is the resistance that realizes Poiseuille Flow (flow path resistance model).

図4は、流路抵抗モデルにおける各枝の構成を示す図である。このように、上述した楕円柱の枝を中空のパイプとし、各パイプ内のポアズイユの流れを解析する。 FIG. 4 is a diagram showing the configuration of each branch in the flow path resistance model. In this way, the branch of the elliptical pillar described above is used as a hollow pipe, and the flow of Poiseuille in each pipe is analyzed.

ポアズイユ流れ抵抗Rfとすると、
Rf=8πμL/S
となる。ここでS:断面積、L:パイプの長さ、μ:粘性率(Pa・s)である。なお、Sは、L方向において変化する。
If the Poiseuil flow resistance Rf is used,
Rf = 8πμL / S 2
Will be. Here, S: cross-sectional area, L: pipe length, μ: viscosity (Pa · s). Note that S changes in the L direction.

このように、流路抵抗は、流体の粘性率μを除けば、流路の形状のみに依存する。この流路抵抗を、連通孔流路の抵抗として用いる。なお、この方法は、パイプ内は層流の定常流を仮定する。これによって、細孔径に強く依存した流体の流れを解析することが可能である。抵抗が定義された後の解析は入出力間の圧力差を電圧とする電気回路モデルの方程式と同様に回路方程式を解く方法で行う。 Thus, the flow path resistance depends only on the shape of the flow path, except for the viscosity μ of the fluid. This flow path resistance is used as the resistance of the communication hole flow path. This method assumes a steady flow of laminar flow in the pipe. This makes it possible to analyze the fluid flow that strongly depends on the pore size. After the resistance is defined, the analysis is performed by solving the circuit equation in the same way as the equation of the electric circuit model in which the pressure difference between the input and output is the voltage.

<電気回路モデル>
細孔(枝)を電気伝導物質で満たされていると仮定し、構造体内の細孔の断面積、長さを反映した抵抗を定義し、細孔ネットワークから電気回路網を作成する。すなわち、1つの枝を1つの電気抵抗に置き換え、ノードにおいて電気抵抗を接続して電気回路網とする。入口、出口に電位差を与えネットワーク上の各点の電圧、電流を求める。流れの持つ性質を弱め、細孔の形状とつながりを重視したシミュレーションを行う。
<Electric circuit model>
Assuming that the pores (branches) are filled with an electric conductive material, the resistance reflecting the cross-sectional area and length of the pores in the structure is defined, and an electric circuit network is created from the pore network. That is, one branch is replaced with one electric resistance, and the electric resistance is connected at the node to form an electric circuit network. A potential difference is given to the inlet and outlet to obtain the voltage and current at each point on the network. We weaken the properties of the flow and perform a simulation that emphasizes the shape and connection of the pores.

細孔(枝)の電気抵抗Rは、次のように表せる。
=ρ・L/S
ここで、S:断面積、L:長さ、ρ:体積抵抗率(Ω・m)である。
Electrical resistance R E of the pores (branch) is expressed as follows.
RE = ρ ・ L / S
Here, S: cross-sectional area, L: length, ρ: volume resistivity (Ω · m).

なお、抵抗式を反映したモデル間の概念の対応は表1のようになる。ここで、電気抵抗は、断面積に反比例するものであり、流路抵抗モデルの流路抵抗は断面積の2乗に反比例するものである。両モデルは、この点で異なっている。 Table 1 shows the correspondence between the models that reflect the resistance equation. Here, the electric resistance is inversely proportional to the cross-sectional area, and the flow path resistance of the flow path resistance model is inversely proportional to the square of the cross-sectional area. Both models differ in this respect.

Figure 0006985573
Figure 0006985573

<その他>
その他の主な流路構造評価指標として、「スターボリューム」、「ループ数(一次元ベッチ数)」などがあげられる。
<Others>
Other main flow path structure evaluation indexes include "star volume" and "number of loops (number of one-dimensional Betti numbers)".

スターボリュームは点の周りの直線で連結される領域体積である。流路や母材の局所的な空間の広がりが表現できる。流路スターボリュームと母材スターボリュームがある。流路の折れ曲がり大のとき流路スターボリュームは小さな値を取る。ストレートのとき大の値となる。母材スターボリューム大は流路の片寄りを示す。小は流路が一様に分散していることを示す。 The star volume is the area volume connected by a straight line around the point. It is possible to express the local expanse of the flow path and the base material. There is a flow path star volume and a base material star volume. When the bend of the flow path is large, the flow path star volume takes a small value. It becomes a large value when it is straight. The large star volume of the base metal indicates the deviation of the flow path. Small indicates that the flow paths are uniformly dispersed.

一次元ベッチ数は、細孔ネットワーク中の連結するループの個数。ネットワークの連結性を表現する。ループ数(一次元ベッチ数)大は、流路が繋がり合っていることを示す。 The one-dimensional Betti number is the number of connected loops in the pore network. Represents network connectivity. A large number of loops (one-dimensional Betti number) indicates that the flow paths are connected.

<形態特徴量>
ここで、CT画像からの細孔の抽出によって、細孔からなる流路(連通孔ネットワーク)の形態についての情報(構造指標)が得られる。従って、次のような多孔体の構造指標が得られる。
<Morphological features>
Here, by extracting the pores from the CT image, information (structural index) about the morphology of the flow path (communication hole network) composed of the pores can be obtained. Therefore, the following structural index of the porous body can be obtained.

「空孔率(空隙率)」、「流路枝の寸法:厚さ、幅、長さ」、「細孔径分布」、「貫通パスの最小細孔径」、「ループ数(一次元ベッチ数)」、「流路粒子分割、粒子径分布(主に発泡剤による流路形成の評価に用いる)」、「バルク比表面積:触媒反応層などにおける母材のバルク体積に対する表面積の割合を表現する」、「流路ネットワークの合計長さ、分岐点数、平均枝長さ」、「入口ノード数、入口平均断面積」、「出口ノード数、出口平均断面積」、「流路スターボリューム(流路の直線性を示す)」、「母材スターボリューム(流路の片寄りを示す)」。 "Porosity (porosity)", "channel branch dimensions: thickness, width, length", "pore diameter distribution", "minimum pore diameter of through path", "number of loops (number of one-dimensional vetches)" "," Channel particle division, particle size distribution (mainly used for evaluation of channel formation by foaming agent) "," Bulk specific surface area: Expresses the ratio of the surface area to the bulk volume of the base metal in the catalytic reaction layer, etc. " , "Total length of channel network, number of branch points, average branch length", "Number of inlet nodes, average inlet cross-sectional area", "Number of exit nodes, average cross-sectional area of exit", "Channel star volume (straight line of channel) (Indicating sex) "," Base material star volume (indicating bias in the flow path) ".

<流れの指標>
また、流路抵抗の計算結果に応じて、次のような流れの指標が各枝について得られる。
「圧力(Pa)、圧力損(Pa)」、「流速(m/sec)」、「流量(m/sec)(=流速×断面積)」、「消費エネルギー(N/(sec/m))」、「粘性抵抗(Pa/(m/sec))」
また、定義した入口から出口を1つの流路と考えた場合での流量、流速、圧損なども計算することができる。
<Indicator of flow>
Further, the following flow indexes are obtained for each branch according to the calculation result of the flow path resistance.
"Pressure (Pa), pressure loss (Pa)", "flow velocity (m / sec)", "flow velocity (m 3 / sec) (= flow velocity x cross-sectional area)", "energy consumption (N / (sec / m)) ) ”,“ Viscous resistance (Pa / (m 3 / sec)) ”
In addition, it is possible to calculate the flow rate, flow velocity, pressure loss, etc. when the defined inlet to outlet are considered as one flow path.

<貫通パス形態特徴量>
空孔の抵抗と入口と出口と圧力差を与えることにより、入口から出口に至るひとつながりの流路を抽出することができる。これを貫通パスと呼ぶ。貫通パスにより多孔体の特徴を表現することが可能である。
<Penetration path morphology feature amount>
By giving the resistance of the holes and the pressure difference between the inlet and the outlet, it is possible to extract a continuous flow path from the inlet to the outlet. This is called a penetration path. It is possible to express the characteristics of the porous body by the penetration path.

流路入口から出口に至るあらゆるパスをサーチし、最適なパスの順に選択する。パスの本数は無数に多いためパスを構成する枝の消費エネルギーの和をパスの消費エネルギーと定義し、消費エネルギー大の順に取り出す。なお、貫通パスには重複パスはカウントしない。 Search for all paths from the inlet to the exit of the channel and select the most suitable path in that order. Since the number of paths is innumerable, the sum of the energy consumption of the branches that make up the path is defined as the energy consumption of the path, and the energy consumption is taken out in descending order. Duplicate paths are not counted for penetrating paths.

<貫通パス計測>
入口から出口に至るひとつながりの流路を貫通パスと呼ぶ。入口から出口に至るあらゆるパスをサーチし、流体が流れるのに最適なパスの順に選択する。パスの本数は無数に多いためパスを構成する枝のパワー(消費エネルギー)の和をパスのパワーと定義し、パワーが大きい順に取り出す。
<Penetration path measurement>
A continuous flow path from the entrance to the exit is called a penetration path. Search every path from the inlet to the exit and select the best path for the fluid to flow. Since the number of paths is innumerable, the sum of the powers (energy consumption) of the branches that make up the paths is defined as the power of the paths, and the power is taken out in descending order.

ここで、パス数が膨大になることを防止するため、全体の流れに対し貢献度の小さなパスは除外する。 Here, in order to prevent the number of paths from becoming enormous, paths with a small contribution to the overall flow are excluded.

また、曲路率大のパス、大部分の枝が選択済みパスに含まれる重複パスを除外したり、パスについて計測本数を制限したりしてもよい。 Further, a path having a large turnover rate, an overlapping path in which most of the branches are included in the selected path may be excluded, or the number of measured paths may be limited.

貫通パス毎に次の項目を測定し、貫通パス全体の平均を多孔体の特徴量とする。
・形態特徴量:貫通パス本数、最小細孔径、曲路率
・流れの指標:粘性抵抗合計、パワー合計、平均流速、平均流量
The following items are measured for each penetration path, and the average of the entire penetration path is used as the feature amount of the porous body.
-Morphological features: number of through passes, minimum pore diameter, curvature ratio / flow index: total viscous resistance, total power, average flow velocity, average flow rate

<貫通パスカバレージ>
貫通パスの合計が全多孔体をカバーする割合を求める。なお、得られた割合は、100を乗算して%表示とした。
・空孔体積割合={Σ[貫通パス構成枝](枝長さ×断面積)/(Σ[全枝](枝長さ×断面積))
<Penetration pass coverage>
The ratio of the total of the penetration paths covering the entire porous body is calculated. The obtained ratio was multiplied by 100 and displayed as%.
・ Pore volume ratio = {Σ [through path constituent branches] (branch length x cross-sectional area) / (Σ [all branches] (branch length x cross-sectional area))

空孔体積割合は、貫通パスを構成する枝についての空孔体積(枝長さ×断面積)の合計を全枝についての空孔体積(枝長さ×断面積)の合計で除算した値に100を乗算したものである。 The vacancy volume ratio is 100, which is obtained by dividing the total vacancy volume (branch length x cross-sectional area) of the branches constituting the through path by the total vacancy volume (branch length x cross-sectional area) of all branches. It is a multiplication.

・流量割合
流量割合は、貫通パスについての流量の合計を入口から出口に流れる全流量の合計で除算した値である。
-Flow rate ratio The flow rate ratio is the value obtained by dividing the total flow rate for the penetration path by the total flow rate flowing from the inlet to the outlet.

・パワー割合
パワー割合は、貫通パスの流れについてのパワー(消費エネルギー)の合計を入口から出口に流れる全流れについてのパワーの合計で除算した値である。
-Power ratio The power ratio is the value obtained by dividing the total power (energy consumption) for the flow of the penetration path by the total power for the entire flow flowing from the inlet to the outlet.

このように、貫通パスを選択して、その貫通パスごとの流れの指標を得て、これを表示することで、多孔体の特性について見やすい表示が可能となる。ここで、全枝について、その流速を色で示すことができるが、枝の数が多すぎて、傾向をつかむことができない。例えば、貫通パスを選択して、各貫通パスについて圧力表示すると、全体としての圧力の傾向を見ることができる。特に、貫通パスは全体の流れの多くの部分を担っており、また行き止まりの枝の圧力などは非表示となるため、全体としての傾向が見やすくなる。さらに、パワーの大きなものを選択するなどして、表示する貫通パスを限定することで、より見やすい表示にすることができる。 In this way, by selecting a penetration path, obtaining an index of the flow for each penetration path, and displaying this, it is possible to easily display the characteristics of the porous body. Here, the flow velocity of all the branches can be indicated by color, but the number of branches is too large to grasp the tendency. For example, if you select a penetration path and display the pressure for each penetration path, you can see the pressure trend as a whole. In particular, the penetrating path is responsible for much of the overall flow, and the pressure of dead-end branches is hidden, making it easier to see the overall trend. Furthermore, by limiting the penetration path to be displayed by selecting the one with high power, it is possible to make the display easier to see.

<解析結果>
透過性が比較的大きい多孔体(建築材料)を用い、本実施形態に係る流路抵抗モデル、電気回路モデルでの流れ解析、および流体シミュレーションを行った。
<Analysis result>
Using a porous body (building material) with relatively high permeability, flow analysis and fluid simulation were performed using the flow path resistance model and electric circuit model according to this embodiment.

流体シミュレーションは、多孔体についてCT画像より、3次元構造を構築し、得られた流路を用いて行った。流体シミュレーションに用いたソフトFlowsquare(商品名)(Nora Scientific社)である。 The fluid simulation was performed by constructing a three-dimensional structure from the CT image of the porous body and using the obtained flow path. The software Flowsquare (trade name) (Nora Scientific) used for the fluid simulation.

図5は、多孔体を示す図であり、(a)はCT画像、(b)はCT画像から求められた骨格線を示す。流路抵抗モデルでは、図5(a)のCT画像に基づいて、図5(b)のような骨格線を求め、これに基づいて上述した楕円柱からなる流路モデル(流路抵抗モデル)を構築する。そして、この流路抵抗モデルに基づき解析を行った。すなわち、流路入口と出口との間に圧力差を与え、あらゆる流路をポアズイユ流れで近似して、流れ指標を求めた。電気回路モデルは、骨格線を枝毎に電気抵抗に置き換えて形成し、この回路について圧力に対応する電圧を印加して解析を行った。 5A and 5B are views showing a porous body, where FIG. 5A shows a CT image and FIG. 5B shows a skeleton line obtained from a CT image. In the flow path resistance model, the skeleton line as shown in FIG. 5 (b) is obtained based on the CT image of FIG. 5 (a), and based on this, the flow path model (flow path resistance model) consisting of the above-mentioned elliptical columns is obtained. To build. Then, analysis was performed based on this flow path resistance model. That is, a pressure difference was applied between the inlet and the outlet of the flow path, and all the flow paths were approximated by the Poiseuille flow to obtain a flow index. The electric circuit model was formed by replacing the skeleton line with an electric resistance for each branch, and the circuit was analyzed by applying a voltage corresponding to the pressure.

流路抵抗モデルおよび電気回路モデルについての解析結果について、流体シミュレーションとの相関を調べた。 The correlation between the analysis results of the flow path resistance model and the electric circuit model with the fluid simulation was investigated.

多孔体流路モデル(流路抵抗モデル)において、解析結果は、骨格線上の値を取り出し、流体シミュレーション結果は骨格線と直交する面上の値の平均を取り出し比較した。 In the porous flow path model (flow path resistance model), the analysis results were obtained by extracting the values on the skeleton line, and the fluid simulation results were obtained by extracting and comparing the average values on the plane orthogonal to the skeleton line.

まず、流路抵抗モデルによる圧力、流速について、流体シミュレーションと比較した。圧力はR=0.9(p<0.00)、流速はR=0.73(p<0.00)で相関した。ここで、Rは分散、pは有意確率である。 First, the pressure and flow velocity by the flow path resistance model were compared with the fluid simulation. The pressure was correlated with R 2 = 0.9 (p <0.00) and the flow velocity was correlated with R 2 = 0.73 (p <0.00). Here, R 2 is the variance and p is the significance probability.

流体シミュレーション結果と流路抵抗モデルによる連通孔計測結果は圧力、流速とも回帰直線は原点を通り直接比例することを示した。 The fluid simulation result and the communication hole measurement result by the flow path resistance model showed that the regression line passes through the origin and is directly proportional to both the pressure and the flow velocity.

電気回路モデルは流体シミュレーションと相関した。細孔を電気回路抵抗で近似した電気回路モデルによる解析結果において、圧力はR=0.72(p<0.00)、流速はR=0.82(p<0.00)で流体シミュレーション結果と相関する。しかし、圧力、流速とも回帰直線は原点を通らず比例関係は示さなかった。 The electrical circuit model correlated with the fluid simulation. In the analysis result by the electric circuit model in which the pores are approximated by the electric circuit resistance, the pressure is R 2 = 0.72 (p <0.00), the flow velocity is R 2 = 0.82 (p <0.00), and the fluid is fluid. Correlates with simulation results. However, neither the pressure nor the flow velocity showed a proportional relationship because the regression line did not pass through the origin.

図6は多孔体の圧力分布についての3種類の解析結果を示す図であり、(a)は流体シミュレーション、(b)は流路抵抗モデル解析、(c)は電気回路モデル解析の結果を示す。この表示においても、圧力が高いところを赤、低いところを青、中間をオレンジ、緑、黄色で示している。図6は白黒であり、中間が比較的明度が高くなっている。この図6における濃淡から、圧力について流路抵抗モデルによる結果が流体シミュレーションの結果に近いことがわかる。 FIG. 6 is a diagram showing three types of analysis results for the pressure distribution of the porous body, (a) shows the results of fluid simulation, (b) shows the results of flow path resistance model analysis, and (c) shows the results of electric circuit model analysis. .. Also in this display, the place where the pressure is high is shown in red, the place where the pressure is low is shown in blue, and the middle part is shown in orange, green, and yellow. FIG. 6 is black and white, and the brightness is relatively high in the middle. From the shading in FIG. 6, it can be seen that the result of the flow path resistance model for the pressure is close to the result of the fluid simulation.

図7は多孔体の流速分布についての3種類の解析結果を示す図であり、(a)は流体シミュレーション、(b)は流路抵抗モデルの解析、(c)に電気回路モデルの解析結果を示す。この表示においても、流速が高いところを赤、低いところを青、中間をオレンジ、緑、黄色で示している。図7は白黒であり、中間が比較的明度が高くなっている。この図6における濃淡から、流速分布についても、流路抵抗モデルによる結果が流体シミュレーションの結果に近いことがわかる。 FIG. 7 is a diagram showing three types of analysis results for the flow velocity distribution of the porous body, (a) is a fluid simulation, (b) is an analysis of a flow path resistance model, and (c) is an analysis result of an electric circuit model. show. Also in this display, the place where the flow velocity is high is shown in red, the place where the flow velocity is low is shown in blue, and the middle part is shown in orange, green, and yellow. FIG. 7 is black and white, and the brightness is relatively high in the middle. From the shading in FIG. 6, it can be seen that the result of the flow velocity resistance model is close to the result of the fluid simulation for the flow velocity distribution.

このように、流路抵抗モデルは流体シミュレーションと相関する。 Thus, the flow path resistance model correlates with the fluid simulation.

<流路抵抗モデル貫通パス測定>
上述のようにして、貫通パスを選定し、その貫通パスについて流路抵抗モデルによる解析を行った。図8は貫通パス選定の手順を示す図であり、(a)は多孔体のCT像、(b)は多孔体の空孔、(c)は空孔の骨格線、(d)貫通パス毎のパワー、(e)はパワーの大きな貫通パス、を示す。
<Measurement of flow path resistance model penetration path>
As described above, a penetration path was selected, and the penetration path was analyzed by a flow path resistance model. FIG. 8 is a diagram showing a procedure for selecting a penetration path, where (a) is a CT image of a porous body, (b) is a pore in the porous body, (c) is a skeleton line of a hole, and (d) each penetration path. The power of (e) indicates a penetration path having a large power.

まず、図8(a)は対象となる多孔体のCT像であり、青色(図においては灰色)は空孔を示す。図8(b)には、空孔のみを青(図においては黒)で表示してある。このように、空孔はたくさんあり、この表示からは空孔の形状等を判断するのは難しい。なお、上端が入口、下端が出口である。 First, FIG. 8A is a CT image of the target porous body, and blue (gray in the figure) indicates pores. In FIG. 8B, only the holes are shown in blue (black in the figure). As described above, there are many holes, and it is difficult to judge the shape of the holes from this display. The upper end is the entrance and the lower end is the exit.

図8(c)は、空孔の骨格線を抽出して示したものである。骨格線を表示することが空孔の形状等が見やすくなる。なお、骨格線の各点上に骨格線と垂直方向の断面上で空孔を短軸、長軸を持つ楕円で近似し、各枝を定義する。そして、枝毎の流路抵抗を計算し、各枝の圧力、流速、流路抵抗、パワーなどを計算することができる。 FIG. 8 (c) shows the extracted skeleton lines of the vacancies. Displaying the skeleton line makes it easier to see the shape of the holes. Each branch is defined by approximating the holes on each point of the skeleton line on the cross section in the direction perpendicular to the skeleton line with an ellipse having a short axis and a long axis. Then, the flow path resistance of each branch can be calculated, and the pressure, flow velocity, flow path resistance, power, etc. of each branch can be calculated.

そして、これらの流れ指標を貫通パスごとに積算することで各貫通パスについての流れ指標が計算できる。図8(d)は、貫通パス毎のパワーを示したものであり、貫通パス毎の合計パワーの相違が階調の相違で認識できる。なお、この図では白黒表示であるが、実際の表示では、貫通パス毎のパワーを色で示す。これによって、パワーの大きい小さいを貫通パスごとに認識することができる。また、白黒表示を前提とすれば、パワーに明度を対応させることもできる。すなわち、色相、明度、彩度、ハッチングなどの表示属性を流れ指標に対応させることで、枝や貫通パスなどについての流れ指標の大きさの表示が可能となる。 Then, by integrating these flow indexes for each penetration path, the flow index for each penetration path can be calculated. FIG. 8D shows the power for each through pass, and the difference in the total power for each through pass can be recognized by the difference in gradation. Although it is displayed in black and white in this figure, in the actual display, the power for each penetration path is shown in color. This makes it possible to recognize the large and small powers for each penetration path. Also, assuming black-and-white display, it is possible to make the brightness correspond to the power. That is, by associating display attributes such as hue, lightness, saturation, and hatching with the flow index, it is possible to display the size of the flow index for branches, penetration paths, and the like.

図8(e)には、貫通パスの合計パワーが80%以上となるように、パワーの大きなパスを取り出して表示した例を示す。このように、表示する貫通パスを制限することで、より見やすい表示となる。なお、この例では、図8(e)に示した貫通パスの合計パワーが、全流路の合計パワーの80%をカバーしており、図8(e)の表示に基づいて、連通孔ネットワークを評価することができる。 FIG. 8 (e) shows an example in which a path having a large power is taken out and displayed so that the total power of the penetration path is 80% or more. By limiting the penetration path to be displayed in this way, the display becomes easier to see. In this example, the total power of the penetration path shown in FIG. 8 (e) covers 80% of the total power of all the flow paths, and the communication hole network is based on the display of FIG. 8 (e). Can be evaluated.

<流路抵抗モデルと電気回路モデルの選択経路>
図9(a)は、透水性小のSample1の貫通パスを示す図である。ここでは、パワーの大きいものとして選択された貫通パスを示してあり、緑(うすい灰色)は電気回路モデルの選択経路、赤(濃い灰色)は流路抵抗モデルの選択経路、黄色(白)は両者共通の経路を示す。
(b)は、貫通パスの最小断面積をパワー大→小の順に表示した図である。流路抵抗モデル(赤:流)は電気回路モデル(緑:電)に比べ最小断面積大となる経路を選択している。
(c)は、貫通パスの曲路率についての図である。電気回路モデル(緑:電)は、流路抵抗モデル(赤:流)は比較的曲路率小の経路を選択している。
(d)は、流路抵抗モデルにおける貫通パス流量と最小断面積の関係を示した図である。両者は(R2=0.52, p<0.00)で正に相関している。
(e)は、流路抵抗モデルにおける流量と曲路率の関係を示す図である。流路抵抗モデル流量は曲路率とは相関しない。
(f)は、電気回路モデル電流と最小断面積の相関を示す図である。両者は(R2=0.58, p<0.00)で正に相関している。
(g)は、電気回路モデルにおける流量の曲路率依存性を示す図である。電流と曲路率は負に相関した(R2=0.39, p<0.00)。
(d)〜(g)より、流路抵抗流れはパスの最小断面積に依存し、曲路率への依存は小さく、電気回路モデルの流れは、最小断面積及び曲路率両方への依存性を示すことがわかる。
<Selection path of flow path resistance model and electric circuit model>
FIG. 9A is a diagram showing a penetration path of Sample 1 having a small permeability. Here, the penetration path selected as the one with high power is shown, green (light gray) is the selection path of the electric circuit model, red (dark gray) is the selection path of the flow path resistance model, and yellow (white) is the selection path of the electric circuit model. The route common to both is shown.
(B) is a diagram showing the minimum cross-sectional area of the penetration path in the order of power large → small. The flow path resistance model (red: flow) selects a path with the smallest cross-sectional area compared to the electric circuit model (green: electricity).
(C) is a diagram about the curve ratio of the penetration path. In the electric circuit model (green: electricity), the flow path resistance model (red: flow) selects a route with a relatively small curve ratio.
(D) is a diagram showing the relationship between the through-pass flow rate and the minimum cross-sectional area in the flow path resistance model. Both are positively correlated at (R 2 = 0.52, p <0.00).
(E) is a diagram showing the relationship between the flow rate and the curve ratio in the flow path resistance model. The flow path resistance model flow rate does not correlate with the curve ratio.
(F) is a diagram showing the correlation between the electric circuit model current and the minimum cross-sectional area. Both are positively correlated at (R 2 = 0.58, p <0.00).
(G) is a figure which shows the curve ratio dependence of the flow rate in an electric circuit model. The current and curvature were negatively correlated (R 2 = 0.39, p <0.00).
From (d) to (g), the flow path resistance flow depends on the minimum cross-sectional area of the path, the dependence on the curve ratio is small, and the flow of the electric circuit model depends on both the minimum cross-sectional area and the curve ratio. It can be seen that it shows sex.

選択された経路について、その最小断面積、曲路率について解析した結果、流路抵抗モデルは電気回路モデルに比べ最小断面積大となる経路を選択しており、電気解回路モデルは、曲路率小の経路を選択していることがわかった。 As a result of analyzing the minimum cross-sectional area and the curved path ratio of the selected path, the flow path resistance model selects the path having the minimum cross-sectional area larger than that of the electric circuit model, and the electric solution circuit model is the curved path. It turned out that the route with a low rate was selected.

さらに、貫通パス流量と、最小断面積および曲路率の相関を調べた。その結果、流れはパスの最小断面積に依存し、曲路率への依存は小さいことがわかった。これより、流れの解析において、流路抵抗モデルの方が電気回路モデルより適切であることがわかった。 Furthermore, the correlation between the through-pass flow rate and the minimum cross-sectional area and the curve ratio was investigated. As a result, it was found that the flow depends on the minimum cross-sectional area of the path, and the dependence on the curve ratio is small. From this, it was found that the flow path resistance model is more suitable than the electric circuit model in the flow analysis.

<構造指標>
透水性の弱いS1と透水性大のSample2についての解析結果の比較を表2に示す。
<Structural index>
Table 2 shows a comparison of the analysis results for S1 having low permeability and Sample2 having high permeability.

Figure 0006985573
Figure 0006985573

Sample2は1と比較し空隙率、細孔寸法(厚さ、幅)、流路の分岐点数(N.NdNd)、流路長(TSL/TV)には大きな差はなかったが、ループ数はSample2ではSample1の1/2、V*trは2倍強の値を示した。Sample2はストレートな流路が多いパスで構成されていることがわかる。Sample2の保水能力はSample1より低く、水はけが良いことが示唆された。 Compared to 1, there was no big difference in porosity, pore size (thickness, width), number of branch points of the flow path (N.NdNd), and flow path length (TSL / TV), but the number of loops was In Sample2, 1/2 of Sample1 and V * tr showed more than twice the value. It can be seen that Sample 2 is composed of a path having many straight flow paths. The water retention capacity of Sample2 was lower than that of Sample1, suggesting that the drainage was good.

図10は、貫通パスの曲路率を示す図であり、(a)はSample1、(b)はSample2である。元図においては色で曲路率を示しているが、この図は白黒であって、黒いほど曲路率が大きくなっており、Sample1は、曲路率が大きい、即ち曲がりくねった経路を通ることがわかる。また、Sample2は、比較的ストレートな経路を有することがわかる。 10A and 10B are diagrams showing the curvature ratio of the penetration path, where FIG. 10A is Sample1 and FIG. 10B is Sample2. In the original figure, the curve ratio is shown by color, but this figure is black and white, and the blacker the curve ratio, the larger the curve ratio. I understand. It can also be seen that Sample2 has a relatively straight path.

図11は、多孔体細孔径分布を示す図であり、(a)はSample1、(b)はSample2である。元図においては色で細孔径を示しているが、この図は白黒であり、黒いほど細孔径が小さい。従って、Sample1の方がSample2より細孔径の小さい流路が多いことがわかる。また、色を識別できる表示では、Sample1はSample2より細孔径小の流路がパスの中間に存在していることがわかる。すなわち、図11の表示によって、どのような位置にどのような細孔があるかという、細孔の分布を把握することができる。 11A and 11B are views showing the distribution of the pore size of the porous body, in which FIG. 11A is Sample1 and FIG. 11B is Sample2. In the original figure, the pore diameter is shown by color, but this figure is black and white, and the blacker the pore diameter, the smaller the pore diameter. Therefore, it can be seen that Sample 1 has more channels with smaller pore diameters than Sample 2. Further, in the display in which the colors can be identified, it can be seen that the flow path having a smaller pore diameter than that of the Sample 2 exists in the middle of the path in the Sample 1. That is, by the display of FIG. 11, it is possible to grasp the distribution of pores, such as what kind of pores are in what position.

図12は細孔径ヒストグラムを示す図であり、(a)Sample1、(b)Sample2を示す。このように、Sample2では細孔径大の流路が、Sample1では細孔径小の流路が広く分布していることがわかる。 FIG. 12 is a diagram showing a pore size histogram, showing (a) Sample1 and (b) Sample2. As described above, it can be seen that the channels having a large pore diameter are widely distributed in Sample 2 and the channels having a small pore diameter are widely distributed in Sample 1.

<流れの指標>
表3は、流路抵抗モデルで算出した流れの指標である。流れの指標からは流量等流れやすいことを示す多くの指標において、Sample2がSample1に比べ著しく大きい。すなわち、Sample2がSample1より抵抗は小さく、流れが良いことがわかる。
<Indicator of flow>
Table 3 is an index of the flow calculated by the flow path resistance model. From the flow index, in many indexes indicating that the flow rate is easy to flow, Sample 2 is significantly larger than Sample 1. That is, it can be seen that Sample 2 has a smaller resistance than Sample 1 and has a good flow.

Figure 0006985573
Figure 0006985573

図13は貫通パスの圧力を示す図であり、(a)はSample1、(b)はSample2を示す。元図では、貫通パスについての流れの圧力を色で示しているが、図13では白黒で示している。図における上部の黒(赤)が圧力の大きな枝、下部の黒(青)が圧力の小さな枝を示している。このように、Sample1では等圧面が比較的水平面に近く、一様な流れであることがわかる。一方、Sample2では、等圧面が上凸下凸に曲がっており流量大小混在した流れになっている。 13A and 13B are views showing the pressure of the penetration path, where FIG. 13A shows Sample1 and FIG. 13B shows Sample2. In the original figure, the flow pressure for the penetration path is shown in color, but in FIG. 13, it is shown in black and white. In the figure, the black (red) at the top shows the branches with high pressure, and the black (blue) at the bottom shows the branches with low pressure. As described above, it can be seen that in Sample 1, the isobaric surface is relatively close to the horizontal plane and the flow is uniform. On the other hand, in Sample2, the isobaric surface is curved upwardly and downwardly, and the flow rate is mixed.

図14は貫通パスの流量を示す図であり、(a)はSample1、(b)はSample2を示す。Sample2はSample1より本数が多く、パスの流量も大きい。図においては、流量大のパスと、流量小のパスの区別がつかないが、本数が多いことはわかる。 14A and 14B are views showing the flow rate of the penetration path, where FIG. 14A shows Sample1 and FIG. 14B shows Sample2. The number of Sample 2 is larger than that of Sample 1, and the flow rate of the pass is also large. In the figure, it is not possible to distinguish between a path with a large flow rate and a path with a small flow rate, but it can be seen that the number of paths is large.

このように、貫通パスについて、その3次元位置を表示し、各貫通パスについて色や明度で流量、流速、圧力、パワーなどの流れ指標の表示を行うことで、多孔体の性状を表示することができる。従って、この解析結果の基づき、多孔体の製造方法などを最適化することが可能になる。 In this way, the properties of the porous body can be displayed by displaying the three-dimensional position of the penetrating path and displaying the flow index such as flow rate, flow velocity, pressure, and power for each penetrating path by color and brightness. Can be done. Therefore, based on this analysis result, it becomes possible to optimize the method for producing a porous body and the like.

<等ポテンシャル面、電流>
図15は電気回路モデルによる等ポテンシャル面、電流、流路上の消費電力を示す図であり、(a),(b),(c)は電気回路モデルによるSample1の等ポテンシャル面、電流、流路上の消費電力、(d),(e),(f)はSample2の等ポテンシャル面、電流、流路上の消費電力を示す。元図はカラー表示であるが、図においては白黒表示であり、明度によって相違がわかる。これより、Sample2はSample1に比べ、等ポテンシャル面が平行でない、Sample1は一様な流れであり、Sample2は場所により変化のある流れであることがわかる。電流(b)(e)、消費電力(c)(f)はいずれもSample1が小さく、Sample2が大きい傾向を示した。Sample2がストレートな細孔ネットワークで連結されていることの反映と考えられる。なお、図15(c)(f)では、パワー0.2mW以上のパスを選択して表示している。
<Equal potential surface, current>
FIG. 15 is a diagram showing the equipotential surface, current, and power consumption on the flow path according to the electric circuit model, and (a), (b), and (c) are the equal potential surface, current, and on the flow path of Sample 1 according to the electric circuit model. , (D), (e), and (f) indicate the equipotential surface, current, and power consumption on the flow path of Single2. The original figure is a color display, but the figure is a black and white display, and the difference can be seen depending on the brightness. From this, it can be seen that the sample 2 has a non-parallel equipotential surface as compared with the sample 1, the sample 1 has a uniform flow, and the sample 2 has a flow that changes depending on the location. The currents (b) and (e) and the power consumption (c) and (f) tended to be small in Sample 1 and large in Sample 2. It is considered to be a reflection of the fact that Sample2 is connected by a straight pore network. In FIGS. 15 (c) and 15 (f), a path having a power of 0.2 mW or more is selected and displayed.

このように、流路抵抗モデルと、電気回路モデルの両方を適宜用いることで、より要求にかなった情報を得ることができる。 In this way, by appropriately using both the flow path resistance model and the electric circuit model, it is possible to obtain more demanding information.

<処理フロー>
図16は、本実施形態に係る構造評価のコンピュータによる処理を示すフローチャートである。まず、対象となる多孔体についてのCT画像を取得する(S11)。上述したように、必ずしもCT画像に限定されないが、実際の多孔体についての評価を行う場合、CT画像が適当な画像である。取得したCT画像から細孔を検出する(S12)。通常、母材は固体であって細孔は空気であり、CT値から細孔を検出することができる。細孔の中心を結ぶことによって骨格線を検出する(S13)。骨格線の連続により骨格線ネットワークが得られる。
<Processing flow>
FIG. 16 is a flowchart showing a computer-based process of structural evaluation according to the present embodiment. First, a CT image of the target porous body is acquired (S11). As described above, the CT image is not necessarily limited to the CT image, but the CT image is an appropriate image when evaluating an actual porous body. Pore is detected from the acquired CT image (S12). Normally, the base material is a solid and the pores are air, and the pores can be detected from the CT value. The skeletal line is detected by connecting the centers of the pores (S13). A skeletal line network is obtained by the continuation of skeletal lines.

次に、流路抵抗モデルを用いたシミュレーションにおいては、骨格線の各枝を楕円柱に近似する。この楕円柱を接続して、楕円柱を接続したネットワークとして細孔を表現する流路抵抗モデルを構築する(S15)。ここで、流路抵抗は流路の断面積の2乗に反比例する。そして、流路抵抗モデルを用いてシミュレーションを行い(S16)、入口出口間に流体を流した場合の流れ指標を算出する。また、得られた流れ指標に基づいて、入口出口間に貫通する貫通パスを検出し、検出された貫通パスの中でパワーの大きなものなどを選択する。 Next, in the simulation using the flow path resistance model, each branch of the skeleton line is approximated to an elliptical column. By connecting these elliptical columns, a flow path resistance model that expresses pores as a network connecting the elliptical columns is constructed (S15). Here, the flow path resistance is inversely proportional to the square of the cross-sectional area of the flow path. Then, a simulation is performed using the flow path resistance model (S16), and a flow index when a fluid flows between the inlet and outlet is calculated. Further, based on the obtained flow index, a penetrating path penetrating between the inlet and the outlet is detected, and a penetrating path having a large power is selected from the detected penetrating paths.

一方、電気回路モデルを用いたシミュレーションの場合には、S14で得られた細孔を電動物質で満たされていると仮定して、各枝を電気抵抗に置き換え、電気抵抗が接続された電気回路モデルを構築する(S17)。ここで、電気抵抗は、細孔の断面積に反比例する。そして、電気回路モデルを用いシミュレーションを行い(S18)、入口出口間の電流密度、パワーなどの流れ指標を算出する。また、得られた流れ指標に基づいて、入口出口間に貫通する貫通パスを検出し、検出された貫通パスの中でパワーの大きなものなどを選択する。 On the other hand, in the case of the simulation using the electric circuit model, it is assumed that the pores obtained in S14 are filled with the electric material, each branch is replaced with the electric resistance, and the electric resistance is connected to the electric circuit. Build a model (S17). Here, the electrical resistance is inversely proportional to the cross-sectional area of the pores. Then, a simulation is performed using the electric circuit model (S18), and flow indexes such as current density and power between the inlet and outlet are calculated. Further, based on the obtained flow index, a penetrating path penetrating between the inlet and the outlet is detected, and a penetrating path having a large power is selected from the detected penetrating paths.

そして、シミュレーションの結果を出力する(S19)。例えば、得られた貫通パスについてのパワー、流速、流量などを貫通パスの3次元表示における貫通パス毎の色、明度などで表示する。なお、上述のように、結果の出力としては、各種のものが採用できる。 Then, the result of the simulation is output (S19). For example, the power, flow velocity, flow rate, etc. of the obtained penetration path are displayed by the color, brightness, etc. of each penetration path in the three-dimensional display of the penetration path. As described above, various types of result outputs can be adopted.

<まとめ>
本実施形態では、まず数nm〜数100μm径を持つ多孔体試料を対象に、X線CTで描出可能な細孔を計測した。次にX線CT画像から画像コントラストをしきい値で判別し細孔構造を抽出、構造指標を算出した。実際の細孔構造をパイプで近似し圧、流れのシミュレーションを行った。
<Summary>
In the present embodiment, first, the pores that can be visualized by X-ray CT were measured for a porous sample having a diameter of several nm to several 100 μm. Next, the image contrast was discriminated from the X-ray CT image by the threshold value, the pore structure was extracted, and the structural index was calculated. The actual pore structure was approximated by a pipe, and pressure and flow simulations were performed.

特に、シミュレーションは、多孔体材料の流路と、担体両方の構造指標をCT画像から算出する。そして、多孔体構造物に入口、出口を与え、細孔に流路抵抗を定義し、入口、出口間に圧力差を与え、細孔内の流れを3次元でシミュレーションする。本実施形態によれば、流体の近似モデルを利用し、実用的なサイズの多孔体モデルについて、実用的な時間内に精度良く多孔体の構造と流れの指標を得ることができる。本実施形態によれば、細孔径50nm〜10mmという広範囲の細孔径の多孔体についてのシミュレーションが可能である。 In particular, in the simulation, the structural indexes of both the flow path of the porous material and the carrier are calculated from the CT image. Then, an inlet and an outlet are given to the porous structure, a flow path resistance is defined for the pores, a pressure difference is given between the inlet and the outlet, and the flow in the pores is simulated three-dimensionally. According to this embodiment, it is possible to accurately obtain an index of the structure and flow of a porous body within a practical time for a porous body model of a practical size by using an approximate model of a fluid. According to this embodiment, it is possible to simulate a porous body having a wide pore diameter of 50 nm to 10 mm.

本実施形態により、マクロな細孔構造物のX線CT画像を用い、階調(=密度)により、細孔を抽出できる。従って、細孔の3次元画像から細孔構造の断面積分布や連結ネットワーク等の構造指標を計測可能である。 According to this embodiment, pores can be extracted by gradation (= density) using an X-ray CT image of a macroscopic pore structure. Therefore, it is possible to measure structural indexes such as the cross-sectional area distribution of the pore structure and the connected network from the three-dimensional image of the pores.

また、細孔ネットワークに抵抗を定義することにより、細孔構造中の流れの解析が可能である。流路抵抗モデルを用いると入口出口間の圧力差に依存した細孔構造物内の各点の圧力、流速がシミュレーション可能である。流路抵抗モデルでの結果は流体シミュレーション結果と比例する。従って、流路抵抗モデルを用いた解析により3次元流体シミュレーションの近似解が簡便に得られる。排ガスフィルターなど流れの性質を用いる細孔の解析に有効と考えられる。一方、電気回路モデルを与えたシミュレーションでは、流れの抵抗要素の効果を弱め、連通性と構造特性を反映した流路の特徴が得られた。触媒や生体材料の解析に有効と示唆される。
Also, by defining resistance in the pore network, it is possible to analyze the flow in the pore structure. Using the flow path resistance model, it is possible to simulate the pressure and flow velocity at each point in the pore structure depending on the pressure difference between the inlet and outlet. The results in the flow path resistance model are proportional to the fluid simulation results. Therefore, an approximate solution of the three-dimensional fluid simulation can be easily obtained by analysis using the flow path resistance model. It is considered to be effective for analysis of pores using the properties of flow such as exhaust gas filters. On the other hand, in the simulation given the electric circuit model, the effect of the resistance element of the flow was weakened, and the characteristics of the flow path reflecting the communication and structural characteristics were obtained. It is suggested to be effective for analysis of catalysts and biomaterials.

Claims (7)

CT画像を用い多孔体の構造を評価する多孔体の構造評価方法であって、
CT画像から細孔を検出し、
検出された細孔について、楕円柱が連結されたモデルに近似し、
各楕円柱について、断面積の2乗に反比例する流路抵抗を計算し、
計算された流路抵抗に基づいて多孔体の構造を評価する、
多孔体の構造評価方法。
It is a structural evaluation method for a porous body that evaluates the structure of the porous body using a CT image.
Detecting pores from CT images,
For the detected pores, approximate the model in which the elliptical columns are connected,
For each elliptical column, calculate the flow path resistance that is inversely proportional to the square of the cross-sectional area.
Evaluate the structure of the porous body based on the calculated flow path resistance,
A method for evaluating the structure of a porous body.
請求項1に記載の多孔体の構造評価方法であって、
多孔体は、入口領域と、出口領域を有し、
入口領域と出口領域に圧力差を与え、各楕円柱における流体の流量、流速、またはパワーを含む流れ指標を求める、
多孔体の構造評価方法。
The method for evaluating the structure of a porous body according to claim 1.
The porous body has an inlet region and an outlet region.
Applying a pressure difference between the inlet and outlet regions to determine the flow index, including the flow rate, flow rate, or power of the fluid in each elliptical column.
A method for evaluating the structure of a porous body.
請求項2に記載の多孔体の構造評価方法であって、
検出された細孔の中で、入口領域から出口領域に至る貫通パスを抽出し、
抽出した貫通パスについて流量、流速、またはパワーのいずれかを含む流れ指標を求める、
多孔体の構造評価方法。
The method for evaluating the structure of a porous body according to claim 2.
In the detected pores, the penetration path from the inlet region to the exit region is extracted.
Obtain a flow index that includes either flow rate, flow velocity, or power for the extracted penetration path.
A method for evaluating the structure of a porous body.
請求項3に記載の多孔体の構造評価方法であって、
抽出した貫通パスを多孔体中の3次元位置として表示するとともに、
求められた流れ指標の中の1つを選択し、選択された流れ指標の大きさを、表示する貫通パスの表示属性を対応させて表示する、
多孔体の構造評価方法。
The method for evaluating the structure of a porous body according to claim 3.
The extracted penetration path is displayed as a three-dimensional position in the porous body, and is displayed.
Select one of the obtained flow indexes and display the size of the selected flow index in correspondence with the display attribute of the penetrating path to be displayed.
A method for evaluating the structure of a porous body.
請求項4に記載の多孔体の構造評価方法であって、
抽出した貫通パスについて、選択された流れ指標の大きいものを選択し、選択された貫通パスのみを表示する、
多孔体の構造評価方法。
The method for evaluating the structure of a porous body according to claim 4.
For the extracted penetration paths, select the one with the larger selected flow index and display only the selected penetration paths.
A method for evaluating the structure of a porous body.
CT画像を用い多孔体の構造を評価する多孔体の構造評価装置であって、
CT画像から細孔を検出し、
検出された細孔について、楕円柱が連結されたモデルに近似し、
各楕円柱について、断面積の2乗に反比例する流路抵抗を計算し、
計算された流路抵抗に基づいて多孔体の構造を評価する、
多孔体の構造評価装置。
It is a structure evaluation device for a porous body that evaluates the structure of the porous body using a CT image.
Detecting pores from CT images,
For the detected pores, approximate the model in which the elliptical columns are connected,
For each elliptical column, calculate the flow path resistance that is inversely proportional to the square of the cross-sectional area.
Evaluate the structure of the porous body based on the calculated flow path resistance,
Structure evaluation device for porous materials.
コンピュータにCT画像を用い多孔体の構造を評価させる多孔体の構造評価プログラムであって、
コンピュータに、
CT画像から細孔を検出させ、
検出された細孔について、楕円柱が連結されたモデルに近似させ、
各楕円柱について、断面積の2乗に反比例する流路抵抗を計算させ、
計算された流路抵抗に基づいて多孔体の構造を評価させる、
多孔体の構造評価プログラム。
This is a structure evaluation program for porous bodies that allows a computer to evaluate the structure of the porous body using CT images.
On the computer
The pores are detected from the CT image,
Approximate the detected pores to a model in which elliptical columns are connected,
For each elliptical column, calculate the flow path resistance that is inversely proportional to the square of the cross-sectional area.
To evaluate the structure of the porous body based on the calculated flow path resistance,
Porous structure evaluation program.
JP2018223034A 2018-11-29 2018-11-29 Porous structure evaluation method, structure evaluation device, and structure evaluation program Active JP6985573B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018223034A JP6985573B2 (en) 2018-11-29 2018-11-29 Porous structure evaluation method, structure evaluation device, and structure evaluation program

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018223034A JP6985573B2 (en) 2018-11-29 2018-11-29 Porous structure evaluation method, structure evaluation device, and structure evaluation program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020085751A JP2020085751A (en) 2020-06-04
JP6985573B2 true JP6985573B2 (en) 2021-12-22

Family

ID=70907651

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018223034A Active JP6985573B2 (en) 2018-11-29 2018-11-29 Porous structure evaluation method, structure evaluation device, and structure evaluation program

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6985573B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112666462A (en) * 2020-12-16 2021-04-16 上海电气集团股份有限公司 Method and device for evaluating PEMFC performance
CN112964616B (en) * 2021-02-05 2022-05-10 福州大学 Method for determining connectivity of different-scale pores of cement-based material
CN114295532B (en) * 2022-03-09 2022-06-03 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 Icing porosity measuring device and method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2020085751A (en) 2020-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6985573B2 (en) Porous structure evaluation method, structure evaluation device, and structure evaluation program
RU2639727C2 (en) Systems and methods of digital analyzing rocks with definition of sve multiphase flow
Leu et al. Fast X-ray micro-tomography of multiphase flow in berea sandstone: A sensitivity study on image processing
AU2013289017B2 (en) Digital rock analysis systems and methods with reliable multiphase permeability determination
Hapca et al. New local thresholding method for soil images by minimizing grayscale intra-class variance
Altschuh et al. Data science approaches for microstructure quantification and feature identification in porous membranes
Al-Raoush et al. Distribution of local void ratio in porous media systems from 3D X-ray microtomography images
Lux et al. 3D characterization of wood based fibrous materials: an application
CN107817199A (en) A kind of construction method of tight sand multi-scale porosity model and application
Wang et al. Large-scale physically accurate modelling of real proton exchange membrane fuel cell with deep learning
Youssef et al. Quantitative 3D characterisation of the pore space of real rocks: improved µ-CT resolution and pore extraction methodology
CN111553963A (en) Meta-grid generation method and device based on geographic information
CN106716114A (en) Porous medium analysis system and method
Lin et al. Network analysis of filter cake pore structure by high resolution X-ray microtomography
Sarkezi-Selsky et al. Lattice Boltzmann simulation of liquid water transport in gas diffusion layers of proton exchange membrane fuel cells: Parametric studies on capillary hysteresis
Andersson et al. Three-dimensional structure analysis by X-ray micro-computed tomography of macroporous alumina templated with expandable microspheres
Jung et al. Estimation of relative transport properties in porous transport layers using pore-scale and pore-network simulations
McDevitt et al. Microstructural characteristics of bijel-templated porous materials
Townsend et al. Stochastic modelling of 3D fiber structures imaged with X-ray microtomography
CN106932312B (en) Microballoon state dynamic classification characterizing method and device in porous media
Wang et al. Quantifying morphology and diffusion properties of mesoporous carbon from high-fidelity 3D reconstructions
Osenberg et al. Classification of FIB/SEM-tomography images for highly porous multiphase materials using random forest classifiers
Camargo et al. How do geometric factors influence soil water retention? A study using computerized microtomography
Vergés et al. 3D reconstruction and quantification of porous structures
CN110222368A (en) A method of core three-dimensional porosity and permeability is calculated using two dimension slicing

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20201020

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210929

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20211005

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211028

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6985573

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150