流体振動による温度変動とソレー効果による流体の成分分離の実現とその定式化

• Project/Area Number: 23K23234
• Project/Area Number (Other): 22H01966 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29030:Applied condensed matter physics-related
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 上田 祐樹 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00447509)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2025: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2024: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
• Keywords: 熱音響効果 / ソレー効果 / 成分分離 / 気体分離 / ルートビッヒソレー効果 / 音響効果 / 熱音響 / 気体の分離

Outline of Research at the Start

本研究では「流体の周期的温度変動」と「ルートビッヒ・ソレー効果（温度勾配により引き起こされる成分分離効果）」とを組み合わせることで，2成分流体の分離を実現し，さらに，分離が効率的に行われる条件を実験的，理論的に解明する．2024年度はこれまで分離が確認できている成分の組み合わせ以外の流体を用いて実験を行い，これまでの知見が幅広い流体の組み合わせに適応できるのかについて検討する．

Outline of Annual Research Achievements

２０２３年度にはルートビッヒソレー効果と音響効果の二つを組み合わせることで２成分気体の分離を実験的に実現し，その効果を理論を用いた数値計算と比較した．ルートビッヒソレー効果とは，温度勾配が存在する空間において２成分流体が分離する現象である．一方，細管内を音波が伝播すると，音響効果により管断面方向に温度勾配ができることがある．つまり，２成分流体を管内に閉じ込め，さらに管内に音波を伝播させると管断面内方向に流体の成分分離が起こる．さらに，この分離と音波による流体位置変動をうまく位相を合わせて行わせることで，分離が実現できると考えた．
実験装置は音響入力源，音響共鳴管，分離が行われる細管，分離された期待を集める収集部で構成される．分離部のの細管径およびその長さが最も重要なパラメータとなるため，それらをいくつか変更し実験を行った．２成分流体としてヘリウムとアルゴンの混合気体，窒素と二酸化炭素の混合気体を用いた行った．ヘリウムとアルゴンの混合気体において大きな分離効果が得られた．また，数値計算を行い，理論的に予測される分離効果と実験により得られた分離効果を比較した．音波の振幅が小さいときに理論と実験がうまく一致することが確認できた．一方，大振幅時には違いが確認できた．その原因について，細管内の音波振動の大きさに基づいて検証を行い，いくつかの仮説を立てた．
これら研究結果は国際会議で２回発表し，さらに論文誌に発表した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

理論に基づく数値計算手法を確立し，その実用性を示したため．また，数値計算手法捕獲率によりさまざまな種類の気体の組み合わせにおいて，分離効果を定量的に予測できるようになったため．

Strategy for Future Research Activity

流体の組み合わせの種類を変えて実験および数値計算を行う．エネルギー効率に注目して解析を進める．

Research Products

• [Journal Article] Revisiting acoustical gas-mixture separation (2024)
  • Author(s): Sekimoto Satoshi、Yamagishi Yuji、Ueda Yuki
  • Journal Title: The Journal of the Acoustical Society of America Volume: 155 Issue: 1 Pages: 673-680
  • DOI: 10.1121/10.0024363
  • Peer Reviewed
• [Presentation] MIXTURE GAS SEPARATION BY COMBINATION OF ACOUSTICAL AND SORET EFFECTS (2023)
  • Author(s): Satoshi Sekimoto, Yuki Ueda
  • Organizer: the 33rd International Symposium on Transport Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Revisit Thermoacoustic Mixture Separation (2023)
  • Author(s): Yuki Ueda
  • Organizer: 15th International Green Energy Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 音響振動を利用したヘリウムアルゴン混合気体の分離 (2022)
  • Author(s): 渡邊海，関本諭志，上田祐樹
  • Organizer: 流体力学会年会