Development of versatile optical measurement principles for identifying multiscale physics in thermal convection
| Project/Area Number |
19J20096
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
能登 大輔 北海道大学, 大学院工学院, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
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| Keywords | 熱対流 / 回転場 / 可視化計測 / 画像処理 / PIV / 相変化 / 光学的可視化 / ニューラルネットワーク / 実験流体 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，理工学の分野において重要な熱対流現象を実験で解き明かすことを目的とする．流体現象を模擬する装置はそれ自体が煩雑となり，計測法はシンプルである必要がある．
そこで，カメラと液晶プロジェクタ各一台のみで三次元速度場・温度場計測を実現する，“計測環境に左右されないロバストな流体計測法の確立”を行う．
対象には回転・多層・内部発熱・組成・相変化といった複雑性を印可した熱対流現象を設定し，エネルギー工学・材料生成科学・地球惑星科学などの複数分野へ寄与する．
これによって，本研究が現象解明と隔絶した手法開発として完結することなく，未解明な熱対流現象をも解明する，領域横断的な学術研究へと到達する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
デジタル画像処理による可視化流体計測において，色情報を用いることにより従来計測できなかった新たな物理量（面外速度成分や温度）を取得する手法を確立した．Color PTVの開発では，カメラ視軸方向に連続的に色変化するレインボー光を可視化光源とし，流体中の粒子の色情報とカメラ奥行情報を，人工ニューラルネットワークによって対応付けることに成功した．光源には液晶プロジェクタ，可視化には一台のカラーカメラのみを用いるため，非常に安価で簡易な光学系のみで，三次元三成分流速分布を取得できる手法となった．温度に対応した色を発色する感温液晶粒子を用いた熱対流計測では，熱対流の微弱な流れ場においても長時間分散する感温液晶粒子の特性によって，安定温度成層化における水平対流の時空間発展を定量化することに成功した．また，感温液晶の発色を温度情報へと対応付ける手法を人工ニューラルネットワークの導入により実現し，計測精度0.2度以下の非接触温度計測法を確立した．これらの技術を統合し，シート光およびカメラを流体層全域に渡って走査することにより，準瞬時三次元三成分流速分布および三次元温度分布を取得する手法を確立した．この手法を用いて回転熱対流において形成される渦柱の運動および個々の渦柱が有する瞬時の熱輸送量を同時に計測することが可能となった．従来流れ場全体の積分量として議論されていた熱対流の熱輸送特性を，瞬時かつ局所の情報として抽出することにより，これまで説明できなかった渦中の拡散挙動の由来を解明することに成功した．
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(27 results)
