| Project/Area Number |
19H00747
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
辻 義之 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00252255)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 義暢 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (40377809)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥44,070,000 (Direct Cost: ¥33,900,000、Indirect Cost: ¥10,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
Fiscal Year 2020: ¥14,820,000 (Direct Cost: ¥11,400,000、Indirect Cost: ¥3,420,000)
Fiscal Year 2019: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000)
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| Keywords | 量子乱流 / 乱流 / 量子渦 / 普遍性 / 高レイノルズ数乱流 / 渦構造 |
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| Outline of Research at the Start |
液体ヘリウムは絶対温度2.17Kにおいて、その粘性が消失する超流動ヘリウム(HeII)へと相転移する。HeIIでは量子渦が複雑に絡み合うタングルが形成され、発達乱流場の普遍的性質を内在すると考えられる。微細粒子を用いた速度場のラグランジュ計測から、量子乱流場の普遍法則（Kolmogorov則や対数法則）を検証するとともに、その普遍性が成立する背景を量子渦の自己組織化を介して明らかにする。水や空気など古典乱流がそなえるリチャードソン・カスケードと比較することで、運動量やエネルギー輸送をになう物理機構を解き明かし、広く複雑乱流の普遍性を理解することを目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子乱流中に微細な個体重水素を播種し、それらをトレーサーとして、量子渦を可視化した。個体重水素は、ヘリウムと重水素の混合気体を液体ヘリウム中に噴出することから生成する。混合比と噴出圧力を調整することで、直径数μmの粒子を生成できる。2次元平面内での1粒子のラグランジュ軌道を追跡する計算アルゴリズムの開発をおこなった。時間間隔τでの粒子の変位ベクトルをΔx(τ)とすると、その2次モーメントは指数Hのベキ関数で近似できることが分かった。H=1/2ブラウン運動であるが、ラグランジュ軌道中の粒子は1/2<H<1を示し、長時間間隔ではH=1に漸近して直線的な挙動を示す。Hは軌道の幾何学的な自己相似性を特徴づけるハースト指数（フラクタル次元）と呼ばれ、粒子径によって異なる。特徴時間τ0は粒子が渦タングルと相互作用する時間スケールで、ラグランジュ速度をかけることで長さスケールL_0となる。L_0は第二音波を用いて間接的に計測された値と良い一致を示し、平均渦管距離に相当することを明らかにした。つまり、本計測法は、時間スケールがτ0よりも短い範囲では、渦タングルの挙動を反映した速度場の計測が可能であると判断される。１つのラグランジュ軌道に沿って、Hは揺らぎを持っており、その揺らぎがタングルの自己組織化を反映していると予想している。粒子径で分類されたラグランジュ軌道において、H の揺らぎを算出することで、タングルの自己組織化（相似性の揺らぎ）を特徴づけ、相互摩擦との関係を明らかにすることができるであろう。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
二次元での画像取得が高精度でおこなえたため、 その統計的性質の解析を詳細に進められた。微細粒子のラグランジュ軌道を高時間分解能で計測することで、粒子軌道の曲率と加速度を算出することができた。粒子軌道の曲率はラグランジュ加速度の密接に関連するため、速度の条件付き平均を用いることで、熱対向流の軌道の特徴づけができた。しかし、レーザーシステムの調子が芳しくないため、計測時間を調整して実験を進めている。適切な時期に修理・調整を実施する。また、三次元計測を実施するための複数台の高速度カメラとレーザーとの同期を調整することが、レーザーの調子が良くないことから遅れている。レーザーに代り高出力のLEDによる可視化を試みている。極低温では、多くのLEDの発光強度が低下するが、LEDを観測窓の外部に設置することで、可視化の可能性を模索している。LEDでの可視化では、カメラレンズのF値を調整することで画像の取得ができると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
三次元中の粒子軌辺を可視化できるシステムをレーザーの修理・調整を待って構築する。複数台のカメラでの予備計測はできており、事前のカメラキャリブレーション精度の向上から粒子軌道の算出をおこなう。個々の粒子軌道のラグランジュ的追尾は可能であるが、量子渦に粒子がトラップされると、線状の粒子列が形成され、その形状の時空間的検出アルゴリズムの開発をおこなっていく予定である。形状抽出では、時間的に変化する渦構造を正確に検出できるようにする。渦のリコネクションは高速度で出現することが予想されるので、粒子を追尾する妥当な時間分解能と空間分解能の設定をおこなう。放電によるHeエキシマの生成とその可視化準備をすすめる。極低温He中の放電では、交流よりも直流を用いる方が効率的にエキシマの生成ができることが分かったので、ラグランジュ軌道の可視化に十分なエキシマを生成する。エキシマからの発光は微弱であるが、その光量を増幅させるシステムを構築しており、高速度での可視化を実施する。
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