はじめに
フェーズフィールド法は材料組織形態の時間変化を予測するシミュレーション手法です。今回はフェーズフィールド法で用いられる最もベーシックな方程式であるアレン-カーン方程式の導出についてまとめます。
アレン-カーン方程式
以下にアレン-カーン方程式を示します。
\frac{\partial \phi}{\partial t}=-M_{\phi}\frac{\delta G}{\delta \phi} \tag{1}\\
\end{align}
ここで\(G\)は組織中のギブスの自由エネルギー、\(\phi\)は秩序変数、\(M_{\phi}\)はフェーズフィールドモビリティと呼ばれる界面の移動しやすさに関するパラメーターです。
\(G\)は秩序変数\(\phi, \nabla\phi,\nabla ^2\phi\)の関数\(G(\phi, \nabla\phi,\nabla ^2\phi)\)として書けます。このことはギブスの自由エネルギーが相界面の勾配、相界面の曲率に依存することを示しています。(この辺はまた別の記事で。)
\(\phi\)は時間・空間の関数\(\phi(x,t)\)なので、\(\phi\)を変数として持つ\(G\)は汎関数(関数の関数)と言えます。\(\delta\)は汎関数の微分を表す記号です。
アレン-カーン方程式は非保存量の秩序変数\(\phi\)(凝固、相変態、再結晶など)の時間発展を記述する方程式です。これを解くには材料組織中のギブスの自由エネルギー\(G\)をモデル化し、汎関数微分項\(\frac{\delta G}{\delta \phi}\)を計算する必要があります。
物理的背景と導出
アレン-カーン方程式\((1)\)はギブスの自由エネルギー最小化の概念から導くことが出来ます。少々長くなりますが、順に確認していきましょう。ギブスの自由エネルギーは次のように記述できます。
G(\phi, \nabla\phi,\nabla ^2\phi)=\int_V g(\phi, \nabla\phi,\nabla ^2\phi)dV\tag{2}\\
\end{align}
ここで\(g\)はギブスの自由エネルギーの空間密度を表し、\(G\)と同様に秩序変数\(\phi, \nabla\phi,\nabla ^2\phi\)の関数\(g(\phi, \nabla\phi,\nabla ^2\phi)\)として書けます。
また、\(\nabla\phi\)は次のベクトル関数です。
\nabla \phi=\left(\frac{\partial \phi}{\partial x},\frac{\partial\phi}{\partial y},\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)\tag{3}\\
\end{align}
\(\nabla ^2\phi\)はラプラシアンを表し、次のスカラー関数として書けます。
\nabla^2 \phi=\frac{\partial ^2 \phi}{\partial x ^2}+\frac{\partial^2 \phi}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 \phi}{\partial z^2}\tag{4}\\
\end{align}
冒頭で述べたギブスの自由エネルギーの最小化とは「等温・等圧過程での自発変化はギブスの自由エネルギーGが減少する方向に生じる。」という熱力学上の性質です。このことは数式を用いると次のように表現できます。
\frac{dG}{dt}\leq0 \tag{5}\\
\end{align}
ここからは上式左辺\(\frac{dG}{dt}\)を計算することで、アレンカーン方程式\((1)\)を満たすとき、ギブスの自由エネルギー最小化(式\((5)\))が成り立つことを確認していきます。
式\((2)\)より\(\frac{dG}{dt}\)を全微分で表現すると次式を得ます。
\frac{dG(\phi, \nabla\phi,\nabla ^2\phi)}{dt}&=\int_V \frac{dg(\phi, \nabla\phi,\nabla ^2\phi)}{dt}dV\\
&=\int_V \frac{\partial g}{\partial \phi}\frac{\partial \phi}{\partial t}
+\frac{\partial g}{\partial (\nabla \phi)}\cdot \frac{\partial (\nabla\phi)}{\partial t}
+\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial (\nabla^2 \phi)}{\partial t}dV
\tag{6}
\end{align}
ここで右辺第二項はベクトル関数同士の内積になっていることに注意しましょう。
まず右辺第二項について考えます。この項はベクトル関数による微分を含んでおり少々分かりづらいですが、成分で書き下すと次のように書けます。
\int_V\frac{\partial g}{\partial (\nabla \phi)}\cdot \frac{\partial (\nabla\phi)}{\partial t}dV
&=
\int_V
\begin{pmatrix}
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}\\
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}\\
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}
\end{pmatrix}
\cdot
\begin{pmatrix}
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}{\partial t}\\
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}{\partial t}\\
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}{\partial t}\\
\end{pmatrix}
dV\\
&= \int_V
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}{\partial t}
+
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}{\partial t}
+
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}{\partial t}dV
\tag{7}
\end{align}
上式は\(g\)の全微分の形と一致しています。上式に部分積分(積の微分公式による変形)を適用すると次のよう変形できます。
&=\int_V
\frac{\partial }{\partial x}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}
\frac{\partial \phi}{\partial t}
\right)
–
\frac{\partial }{\partial x}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}
\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}\\
&\qquad \qquad
+
\frac{\partial }{\partial y}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}
\frac{\partial \phi}{\partial t}
\right)
–
\frac{\partial }{\partial y}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}
\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}\\
&\qquad \qquad \qquad+
\frac{\partial }{\partial y}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}
\frac{\partial \phi}{\partial t}
\right)
–
\frac{\partial }{\partial z}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}
\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV\\
&= \int_V
\nabla \cdot
\begin{pmatrix}
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}\frac{\partial \phi}{\partial t} \\
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}\frac{\partial \phi}{\partial t}\\
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}\frac{\partial \phi}{\partial t}
\end{pmatrix}
-\nabla \cdot
\begin{pmatrix}
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}\\
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}\\
\frac{\partial g}{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}
\end{pmatrix}
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV\\
&= \int_V
\nabla \cdot
\left(\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla \phi\right)}\frac{\partial \phi}{\partial t}\right)
-\nabla \cdot
\left(\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla \phi\right)}\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV\\
\tag{8}
\end{align}
第一項についてガウスの発散定理を用いると次のように書けます。
= \int_S
\left(\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla \phi\right)}\frac{\partial \phi}{\partial t}\right)\cdot \boldsymbol{n} dS
-\int_V \nabla \cdot
\left(\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla \phi\right)}\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV\tag{9}\\
\end{align}
上記の\(\boldsymbol{n}\)は境界に垂直な方向(法線方向)の単位ベクトルです。
ここで計算領域が十分広く、領域境界周辺は常に平衡状態であると仮定し、秩序変数は時間によらず一定、すなわち\(\frac{\partial\phi}{\partial t}=0\)が成立するものとします。(これはディリクレ条件に相当します。)すると式\((9)\)の第一項は0となり、最終的に式\((6)\)第二項は次のように書けます。
\int_V\frac{\partial g}{\partial (\nabla \phi)}\cdot \frac{\partial (\nabla\phi)}{\partial t}dV
=-\int_V\nabla \cdot
\left(\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla \phi\right)}\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV\tag{10}\\
\end{align}
同様に式\((6)\)第三項についても変形します。第二項はベクトル関数\(\nabla \phi\)の汎関数でしたが、第三項はラプラシアンによるスカラー関数\(\nabla^2 \phi\)の汎関数であることに注意します。第三項を成分表記で書き下すと以下のように書けます。
\int_V \frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial (\nabla^2 \phi)}{\partial t}dV
&=
\int_V \frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial^2 \phi }{\partial x^2}+\frac{\partial^2 \phi }{\partial y^2}+\frac{\partial^2 \phi }{\partial z^2}\right)}{\partial t}dV\\
&=
\int_V \frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial^2 \phi }{\partial x^2}\right)}{\partial t}
+
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial^2 \phi }{\partial y^2}\right)}{\partial t}
+
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial^2 \phi }{\partial z^2}\right)}{\partial t}
dV\tag{11}
\end{align}
上式各項に部分積分(積の微分公式による変形)を適用すると
&=
\int_V \frac{\partial }{\partial x}\left(\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi }{\partial x}\right)}{\partial t}\right)
–
\frac{\partial }{\partial x}\left(\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\right)\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi }{\partial x}\right)}{\partial t}\\
& \qquad \qquad +
\frac{\partial }{\partial y}\left(\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi }{\partial y}\right)}{\partial t}\right)
–
\frac{\partial }{\partial y}\left(\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\right)\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi }{\partial y}\right)}{\partial t}\\
& \qquad \qquad \qquad \qquad +
\frac{\partial }{\partial z}\left(\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi }{\partial z}\right)}{\partial t}\right)
–
\frac{\partial }{\partial z}\left(\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\right)\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi }{\partial z}\right)}{\partial t}dV\\
&= \int_V
\nabla \cdot \begin{pmatrix}
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}{\partial t} \\
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}{\partial t}\\
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}{\partial t}
\end{pmatrix}dV\\
&\qquad \qquad -\int_V
\frac{\partial }{\partial x}
\left(
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}
\right)
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}{\partial t}
+
\frac{\partial }{\partial y}
\left(
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}
\right)
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}{\partial t}
+
\frac{\partial }{\partial z}
\left(
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}
\right)
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}{\partial t}
dV
\tag{12}
\end{align}
さらにガウスの発散定理を用いると次のように変形できます。
&= \int_S
\begin{pmatrix}
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}{\partial t} \\
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}{\partial t}\\
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}{\partial t}
\end{pmatrix}\cdot \boldsymbol{n} dS\\
&\qquad \qquad -\int_V
\frac{\partial }{\partial x}
\left(
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}
\right)
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}{\partial t}
+
\frac{\partial }{\partial y}
\left(
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}
\right)
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}{\partial t}
+
\frac{\partial }{\partial z}
\left(
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}
\right)
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}{\partial t}
dV\tag{13}
\end{align}
式\((6)\)第二項の時と同様に計算領域が十分広く、領域境界周辺は常に平衡状態であると仮定し、境界において秩序変数の勾配は一定、すなわち\(\frac{\partial\phi}{\partial x}=\frac{\partial\phi}{\partial y}=\frac{\partial\phi}{\partial z}=0\)が成立するものとします。(これはノイマン条件に相当します。)すると式\((13)\)の第一項は0となり、次のように書けます。
&=-\int_V
\frac{\partial }{\partial x}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}
\right)
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial x}\right)}{\partial t}
+
\frac{\partial }{\partial y}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi \right)}
\right)
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial y}\right)}{\partial t}
+
\frac{\partial }{\partial z}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}
\right)
\frac{\partial \left(\frac{\partial \phi}{\partial z}\right)}{\partial t}
dV\tag{14}\\
\end{align}
さて、しつこいですが上式はさらに部分積分できそうです。
&=\int_V
\frac{\partial^2 }{\partial x^2}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}
\frac{\partial \phi}{\partial t}
\right)
–
\frac{\partial^2 }{\partial x^2}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}
\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}\\
&\qquad \qquad
+
\frac{\partial^2 }{\partial y^2}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}
\frac{\partial \phi}{\partial t}
\right)
–
\frac{\partial ^2}{\partial y^2}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}
\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}\\
&\qquad \qquad \qquad+
\frac{\partial^2 }{\partial z^2}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}
\frac{\partial \phi}{\partial t}
\right)
–
\frac{\partial^2 }{\partial z^2}
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}
\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV\\
&= \int_V
\nabla ^2
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}\frac{\partial \phi}{\partial t}
\right)
-\nabla ^2
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV
\tag{15}\\
\end{align}
再び第一項についてガウスの発散定理を用いると
&= \int_S
\nabla
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}\frac{\partial \phi}{\partial t}
\right)
\cdot \boldsymbol{n} dS
-\int_V\nabla ^2
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV
\tag{16}\\
\end{align}
上述の通り、領域境界において\(\frac{d\phi}{dt}=0\)を仮定すると面積分は消えて次式を得ます。
&=
-\int_V\nabla ^2
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV
\tag{17}\\
\end{align}
以上より最終的に式(6)第三項は次のように書けます。
\int_V
\frac{\partial g}{\partial (\nabla ^2 \phi)}\frac{\partial (\nabla^2 \phi)}{\partial t}dV
=
-\int_V\nabla ^2
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV
\tag{18}
\end{align}
ここまでで式\((6)\)の各項の変形が完了しました。式\((10),(18)\)を式\((6)\)に代入すると
\frac{dG(\phi, \nabla\phi,\nabla ^2\phi)}{dt}&=\int_V \frac{dg(\phi, \nabla\phi,\nabla ^2\phi)}{dt}dV\\
&=\int_V \frac{\partial g}{\partial \phi}\frac{\partial \phi}{\partial t}
-\nabla \cdot
\left(\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla \phi\right)}\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
-\nabla ^2
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}\right)
\frac{\partial \phi}{\partial t}
dV\\
&=\int_V \left[\frac{\partial g}{\partial \phi}
-\nabla \cdot
\left(\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla \phi\right)}\right)
-\nabla ^2
\left(
\frac{\partial g}{\partial \left(\nabla ^2 \phi\right)}\right)\right]
\frac{\partial \phi}{\partial t}dV
\tag{19}
\end{align}
右辺の括弧の中は\(G\)の\(\phi\)に関する汎関数微分\(\frac{\delta G}{\delta \phi}\)の定義そのものなので次式のように書けます。
\frac{dG}{dt}
=\int_V
\frac{\delta G}{\delta \phi}
\frac{\partial \phi}{\partial t}dV
\tag{20}
\end{align}
上記がギブスの自由エネルギーの時間変動の汎関数微分による表現です。この式にアレンカーン方程式\((1)\)を代入します。
\frac{dG}{dt}=-M_{\phi}\int_V \left(\frac{\delta G}{\delta \phi}\right)^2dV\tag{21}\\
\end{align}
積分の中身は2乗項なので積分自体は正の値を持ちます。また、フェーズフィールドモビリティ\(M_{\phi}\)も通常、正の値を持ちます。したがって右辺全体としてはマイナス符号により負の値を取ります。
\frac{dG}{dt}=-M_{\phi}\int_V \left(\frac{\delta G}{\delta \phi}\right)^2dV\leq 0\tag{22}\\
\end{align}
上式はギブスの自由エネルギーの最小化の式\((5)\)と一致しており、アレン-カーン方程式が成立するとき、ギブスの自由エネルギーは時間とともに減少することが分かります。
おわりに
今回はアレン-カーン方程式の導出についてまとめました。この辺は教科書では一行で飛ばされることが多いようですが、実際追ってみると中々ヘビーな式変形をしています。次はギブスの自由エネルギーの数式表現についてまとめたいと思います。
参考文献
[1] 高木 知弘ら, “フェーズフィールド法”, 養賢堂, 2012/3/2
[2] 山中 晃徳ら, “Pythonによるフェーズフィールド法入門 基礎理論からデータ同化の実装まで”, 丸善出版, 2023/12/15
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