複雑媒体中の衝撃波現象の解明と学際応用

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12CE2003
• Research Category: Grant-in-Aid for COE Research
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高山 和喜 東北大学大学, 流体科学研究所, 教授 (40006193)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 樋口 博 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (00312661) ; 林 一夫 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30111256) ; 井小萩 利明 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90091652) ; 齋藤 務 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (00302224) ; 佐宗 章弘 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (40215752)
• Keywords: 衝撃波 / 複雑媒体 / 衝撃波医療応用 / 衝撃波地球科学への応用 / ホログラフィー干渉計 / 数値流体力学 / 衝撃波産業応用 / 分光計測

Research Abstract

(I)複雑媒体中の衝撃波現象の解明
(1)複雑媒体中の衝撃波の挙動の解明に関連して、
直径が一様な寒天球を水中に分布させて、複雑媒体中の水中衝撃波の伝播と減衰の機構を明らかにした。
(ii)微小爆薬にパルスレーザーを照射して気中および水中で起爆して球状衝撃波を発生する機序を詳細に明らかにし、この実験法を確立した。この方法は安定で、また、微小爆薬のTNT等量を求め、微小爆発も爆発の相似則に従うことを初めて明らかにした。
(iii)気泡が分布する液体中を伝播する衝撃波現象を定量的に明らかにするために、リポゾームで微小気泡を発生し、分布させる手法を確立した。
(iv)空気と過飽和液体蒸気の混合気体に膨張波を作用させて微粒液体を発生させて、無隔膜衝撃波管を試作し、その特性を明らかにした。この装置は、今後の衝撃波研究の発展の方向を示すものである。
(v)金属に高速飛行体が秒速4-5kmで衝突するとき発光現象が現れる。発光のスペクトルを計測して、高速衝突で現れる高温を定量的に計測することに成功した。特に、スペースデブリバンパーシールドの設計法の基礎となる複合材料の衝突特性を解明した。
(vi)高速衝突で金属面から電磁波が発生することを検知した。今後電磁波の発生を精密に計測して、衝突孔形成過程の診断法を確立する見通しを得た。
(vii)パルスホロミウム:ヤグレーザーを光ファイバーで水中に導き、フォーカッシングして衝撃波を発生する過程を詳細に解明した。その結果は、今後の衝撃波医療の発展に重要な手段になることを示した。
(viii)極低温液体中での衝撃波の発生と伝播に関する実験装置を完成した。また、次年度計画では、ヘリウム中の衝撃波現象を観察して、衝撃波現象に現れる量子効果を明らかにする準備を完了した。
(2)高粘度液体中の衝撃波の挙動と気泡と衝撃波の干渉の解明に関連して
(i)高粘度媒体として100,000cStのシリコーン油中の気泡と衝撃波の干渉を計測し、その結果を1,000,000cStあるいはそれを超える高粘度液体中の観察に展開する手法を確立した。水中爆発ではなくて高速飛行体の打ち込みによって液中衝撃波を発生する実験装置を製作した。
(ii)火山噴火の機序を衝撃波研究の見地から解明するために、日本の火山研究者との研究協力関係を確立し、火道内の流動を模擬する装置を製作した。
(II)計測法および数値シミ ュレーション法の開発
(1)圧力、温度および状態量の計測
(i)粒子速度干渉計を購入して、液体中で瞬間的に変化する粒子速度を計測して比較的低圧領域での液体の状態方程式を求める手法を確立した。
(ii)ピエゾ効果を利用する圧力計は温度変化を伴う現象の計測には不適当である。金属隔膜の圧力変化に対応する変位を光ファイバーで伝達しレーザー光の変調を利用して検地する圧力計を国際研究協力により開発し、これを衝撃波研究に応用する準備を完了した。
(iii)液体中の微小領域に波長の異なる四レーザー光を交差させて配置し、その点での衝撃波フォーカッシングに伴う温度上昇を非接触的に計測する手法を開発中で、オーストラリア国立大学物理学科、アメリカ航空宇宙局ラングレー研究所との共同研究で実用の見通しを得ている。
(2)ホログラフィー干渉計法の性能向上と画像処理
(i)既存の二重露光ホログラフィー干渉計法を高性能化し、デジタル位相変位干渉計法を開発し、非常に弱い衝撃波背後の密度変化の計測に成功した。
(ii)複雑な三次元画像を取り込んで数値格子を形成する手法を確立した。この方法を用いて、脳血管の血流解析を行い、動脈瘤の処置に関わる術式の選択の基準を得ることに成功した。
(iii)カラーシュリーレン法の開発を行いホログラフィー干渉計法との同時可視化法を初めて開発した。
(3)強拡大視野での高速撮影法の開発
(i)直径1ミクロン程度の微粒子を金属箔に貼りつけ、その反対側からパルスレーザーを照射してアブレーションを起こし、その時、金属箔中に現れる衝撃波の反射で微粒子を数100m/sの速度で打ち出す方法を初めて確立した。
(ii)高速回転する円筒の周辺速度が超音速になるとき、円筒に接近して平板を接近させるとその上に非常に大きなせん断力が作用する。この方法により平板上の微粒子を非接触的に取り除くことに成功した
(4)三次元数値計算法の開発
(i)非構造格子衝撃波捕獲法が開発され、並列計算法適した数値計算法が開発中である。
(ii)非常に精密な格子を形成して、楔、円筒、凹面を過ぎる衝撃波の反射に及ぼす粘性効果を数値的に明らかにし、実験的に検証することに成功した。
(iii)気体、液体、固体の連成系に現れる衝撃波伝播の数値計算法を確立した。
(5)高速飛行体発射装置の開発
(i)ラム加速機の性能向上によりレーザー光を用いる新しい推進法の開発に成功した。
(ii)斜め二段式軽ガス銃を製作してその特性を明らかにしている。また、火薬室の着火方式を改良し軽ガス銃の高性能化に成功した。

Research Products

• [Publications] Sasoh A,Morgan RG,Littleton BN,McIntyre TJ,Bishop AI: "High-enthalpy expansion tube experiments with gas injection"AIAA Journal. Vol.38,No.12. 2253-2259 (2000)
• [Publications] Sasoh A: "Laser-Propelled Ram Accelerator"Journal de Physique. Vol.10,No.11. 41-47 (2000)
• [Publications] 高山和喜: "衝撃波医療のこれから"日本ME学会BME別冊. 第14巻,1号. 40-42 (2000)
• [Publications] Hosseini,S.H.R.,Ogawa,T.and Takayama,K: "Holographic interferometric visualization of the Richtmyer-Meshkov instability induced by cylindrical shock waves"Journal of Visualization. Vol.2,No.3/4. 371-380 (2000)