| Project/Area Number |
23K22998
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| Project/Area Number (Other) |
22H01730 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 25020:Safety engineering-related
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| Research Institution | Saga University |
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Principal Investigator |
住 隆博 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (30358668)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橋本 時忠 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (90392860)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2024: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
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| Keywords | 爆傷 / 爆風 / 粘弾性 / 圧縮性 / 数値解析 / 一次爆傷 / ブラスト波 |
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| Outline of Research at the Start |
爆発による生体損傷のうち1次爆傷は、爆発によって空気中に生じた強力な爆風が生体内に伝播し組織と干渉することで引き起こされる。本現象はエネルギー密度の高い火薬等の点爆発で観察されるため、実験的研究に対する制約が極めて大きい。そのため、数値的研究が有望な選択肢となるが、爆風の照射対象となる生体組織は工学的な分類では粘弾性体であり、その学問領域は流体力学と固体力学の境界領域に位置するため、解析方法が十分に検討されていない。
本研究課題では、粘弾性体を含む流体および固体間の波動伝播が解析可能な統一解法を構築し、爆風による生体損傷の機序について数値的側面から解明に迫る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
爆発による生体損傷のうち一次爆傷は、爆発によって空気中に生じた強力な爆風が生体内に伝播し、脳をはじめとする器官内の組織と干渉することで引き起こされる。本現象は一般にエネルギー密度の高い火薬等の点爆発で観察されるため、設備面や安全性から実験的研究に対する制約が極めて大きく、現象の学術的理解を阻む大きな要因となっている。そのため、数値的研究が有望な選択肢となるが、爆風の照射対象となる生体組織は工学的な分類では粘弾性体であり、その学問領域は流体力学と固体力学の境界領域に位置するため、解析方法が十分に検討されていない。本研究課題では、流体力学で一般的なリーマン解法をベースに粘弾性構成則を導入して数値解法の理論的な拡張を行い、粘弾性体を含む流体および固体間の波動伝播が解析可能な統一解法を構築する。さらに、本数値解法を用いて、爆風と生体組織の干渉を定量的かつ視覚的に評価し、一次爆傷の機序について工学的観点から考察を行う。
前年度までに、圧縮性混相流体計算で一般的な5方程式拡散界面モデルの線形粘弾性体への理論的拡張、ならびにHLLC近似リーマン解法をベースとした基本コードの構築が完了した。これを踏まえ、本年度は、当該基本コードについて、空間多次元への拡張ならびに並列化による処理速度の高速化を実施し、一次爆傷問題へ対応可能な実用コードへ発展させた。また、計算に必要な模擬生体の粘弾性物性の取得について、ポリビニルアルコール・ハイドロゲルを対象にサンプル作成工程の見直しによる品質の標準化を行い、レーザー誘起慣性マイクロキャビテーションレオメトリーの理論面の改良、ならびにそれを用いた高ひずみ速度領域での粘弾性物性評価法の精度向上に取り組んだ。以上をもとに空気中におけるTNT火薬の爆発を模擬した計算モデルを作成し、爆風と粘弾性体の干渉現象（一次爆傷）に関するテスト計算を実施した。
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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
全体の研究計画では、第1段階で必要な数値解法の構築、第2段階で模擬生体の作成と物性評価、ならびに第3段階で数値解法の実験的検証を実施し、第4段階で数値解析による一次爆傷機序の解明を予定している。本年度までに、第1、2段階がおよそ完了し、第4段階に着手した。
第1段階の数値解法の構築については、前年度までに構築したHLLC近似リーマン解法をベースとした圧縮性拡散界面モデルによる線形粘弾性体基本コードについて、空間多次元化ならびに並列化による処理速度の高速化を実施し、一次爆傷問題へ対応可能な実用コードへ発展させた。第2段階の模擬生体の作成については、ポリビニルアルコール・ハイドロゲルに関するサンプル作成工程の大幅な見直しと改善を進め、品質の標準化を実施した。さらに、本サンプルを用いたレーザー誘起慣性マイクロキャビテーションレオメトリーによる物性評価法について逆問題解法の理論面の改良を行い、予測精度を大幅に向上させた。第3段階の実験的検証については、これを担当する研究分担者の健康理由から、十分に実施することができなかった。第4段階の数値解析による一次爆傷機序の解明については、第1段階で完成した圧縮性線形粘弾性体の実用コード、ならびに第2段階で得られた粘弾性物性データをもとに一次爆傷モデルを作成しテスト計算を実施した。具体的には、所定質量のTNT火薬をエネルギー的に等価な圧縮空気源で模擬した初期条件に対して、これによって発生した爆風と粘弾性体柱の干渉問題を解いた。結果として、粘弾性体内を伝播する圧力波動の詳細な数値的観察が可能となり、爆傷機序の理解を進めることができた。
以上のように、本年度は計画の一部が予定通り進まなかったものの、数値解析による一次爆傷機序の解明という最終目標に向かって大きく前進することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は計算モデルの改良と検証を行った上で、一次爆傷機序のさらなる考察を進める予定である。前述のテスト計算では、粘弾性体内における圧力の詳細な波動伝播が捉えられたものの、このうち高周波成分が物理現象によるものかあるいは高次精度解法の適用による数値的な振動によるものか判然としなかった。一般に、熱力学的に異なる二相（ここでは空気と粘弾性体）間の界面では、相転移がない場合でも圧力ならびに温度の平衡が同時に実現されていると考えられる。しかしながら、5方程式拡散界面モデルではこのうち圧力平衡だけが考慮されるため、界面付近に非物理的な状況が生じている可能性がある。この点を検討するため、拡散界面モデルを6方程式に拡張し、圧力平衡に加え温度平衡の効果を取り込んだ上で、一次爆傷モデル計算を実施する。一方、実験的検証については実験室における爆風の生成が困難であるため、代替として模擬生体と衝撃波との干渉を空気中あるいは水中で実施する問題を設定する。例えば、空気中に模擬生体サンプルを設置し、衝撃波管出口を開放して衝撃波を照射することで、同サンプル内における波動伝播状況を観察する、あるいは、水槽内に設置した模擬生体サンプルの近傍にパルスレーザーを収束照射することで、水中気泡の生成時もしくは崩壊時に発生する水中衝撃波を利用して同サンプル内における波動伝播状況を観察する。ただし、手持ちの実験系で可視化行う場合、粘弾性体内における波動伝播を一般にはシャドーグラフ法で捉えることになるが、得られる画像は密度場の二階微分値であるため、直接的に圧力場をイメージングできるとは言えない。この点を補完するため、他研究者による実験結果を含め、幅広く計算結果の検証を進める予定である。
以上、得られた成果について取りまとめ、国内学会での講演発表ならびに専門誌への論文投稿を行う。
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