Development of non-contaminated flow control technique using photoresponsive surfactant solution with reversible viscosity change
| Project/Area Number |
22K03933
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
石川 仁 東京理科大学, 工学部機械工学科, 教授 (90311521)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 行成 東京理科大学, 工学部工業化学科, 教授 (70277276)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
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| Keywords | 流れの制御 / 粘性 / 摩擦抵抗低減 / 非接触制御 / 乱流 / 流体工学 / 粘性変化 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は，紫外光（UV光）と可視光の交互照射により粘性が可逆的に変化する界面活性剤を利用した，摩擦抵抗を非接触で自在にコントロールできる流れ制御手法を開発するものである．この界面活性剤はUV光の照射で粘性が増加，可視光の照射で粘性が減少する性質をもつカチオン/アニオン性界面活性剤（CTAB/C4AzoNa）であり，研究分担者の近藤が開発した．その粘性変化の範囲はゼロシア粘度で 0.1～10 [Pa・s] 程度であるので，摩擦抵抗の大きさも100倍程度の増減が期待できる．本研究では，管路実験や水路実験の実施により，このCTAB/C4AzoNa水溶液を用いた新しい制御手法の検証と実用化をめざす．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，紫外光（UV光）と可視光の交互照射により粘性が可逆的に増加・減少する界面活性剤水溶液を対象とし，流体の粘性により生じる摩擦抵抗を非接触・非侵襲でコントロールする新たな流れ制御手法を開発するものである．界面活性剤はUV光の照射で粘性が増加，可視光の照射で粘性が減少する性質をもつカチオン/アニオン性界面活性剤（CTAB/C4AzoNa）であり．その水溶液に対してUV光と可視光の照射実験を行う．
本年度は同心回転二重円筒装置を用いて，その円筒隙間に形成されるクエット流れ状態の水溶液にUV光を局所照射し，強いせん断流れの中で局所な粘性変化を起こした場合に内側の円筒に加わる摩擦抵抗で生じるトルク変化と，粘度境界での速度場を同時に計測した．
まずCTAB/C4AzoNa水溶液にUV光を120分局所照射した結果，トルクを照射前から約5倍程度増加できることがわかった．その後，可視光を全体照射するとトルクはもとの大きさに減少した．この結果から，強いせん断流れの中でも粘性の可逆的制御が非接触・非侵襲で実現でき，その再現性を昨年度に続き確かめることができた．
このときの速度場の様子を，UV蛍光粒子を用いたPTV（粒子像追跡流速計測法）にて可視化計測した．とくに，粘性が増加している部分と減少している部分の境界領域に注目して解析を行った．その結果，粘度増加している部分の流速が，粘度が低い領域のそれよりも大きいことがわかった．また高粘度の溶液が回転二重円筒装置の軸方向に拡散する様子が確認されたが，その原因は明らかにできなかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
せん断流れを形成する流路として作成した同心回転二重円筒装置を用いて，CTAB/C4AzoNa水溶液の可視化，速度場計測と摩擦抵抗の増減によるトルク計測の複数同時測定が可能となった．本実験のUV光の光量の範囲では，3～5倍程度のトルク増加が達成できた．
UV蛍光粒子を用いたPTVの実施によって，粘度変化する領域の速度場計測が可能となった．粘度増加している部分の流速が，粘度が低い領域のそれよりも大きい理由は，円筒半径方向に生じる速度勾配の差や，内部領域にできる渦構造に起因すると予想されるが，本年度では明らかにできなかった．今後は内部領域の流れ場構造や渦構造を，半径方向断面内の速度分布計測により解析する必要がある．
昨年度実施した，局所的に粘性を変化させて摩擦抵抗を大きくした際のトルクの値を，粘性変化の有無の領域に分けて理論式から予測することについては，PTVにより計測した周方向平均速度による速度勾配を導入し，軸方向に関して区分求積法的に求めることで，実測値との誤差を低減可能な新しいモデルを提案できた．
以上のことより，研究は概ね順調に行われているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
実験を行うレイノルズ数をより高い範囲に拡張し，乱流場かつ高せん断流場でも同様な粘度変化による摩擦低減やトルク増減が可能かを調べる．同心回転二重円筒装置のトルク計測結果から摩擦係数とエネルギー損失の算出を行う．得られた結果は，新たに構築する局所的な粘度変化を考慮したさらに精度を向上させたトルク予測モデルから算出される値との比較を行う．
これまでの成果である，せん断の強い流れ場でも局所的な粘度変化が実現できたことから，粘度変化の境界領域の速度場計測を引き続き行う予定である．手法としては，PTVを用いる．PTVの実施には，溶液は色がない方が好都合なので，無色化あるいは薄色化を検討する．無色化ができない場合には，粒子の反射光の強度を向上させるか，透過光の抽出方法を工夫する．
また粘度変化は温度に依存するので，回転同軸二重円筒管内にCTAB/C4AzoNa水溶液を満たした際の温度を実測するために，熱電対等の導入を引き続き検討する．
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
