複雑媒体中の衝撃波現象の解明と学際応用

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12CE2003
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高山 和喜 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (40006193)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐宗 章弘 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (40215752) ; 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) ; 小原 拓 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (40211833) ; 齋藤 務 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (00302224)
• Keywords: 衝撃波 / 複雑媒体 / 衝撃波医療応用 / 衝撃波地球科学応用 / 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

本研究を支援するために平成12年3月、東北大学は衝撃波学際実験棟を新設した。われわれはここに断面0.1mx0.18m高圧室長さ5m、低圧室長さ14m、測定部視野1.1m×0.18m、二段式軽ガス銃、飛行体直径15mm、最大射出速度8km/s、回収部直径1.7m、長さ12m、および断面0.3mx0.3m全長11mも縦型衝撃波管を設置し、また、直径1mの一対のシュリーレン鏡を備えた大視野可視化実験系を設備し、各種衝撃波実験の実施に対応できる態勢を完成し、当初計画に沿った研究を鋭意進行させている。特に、数理解析法の開発では、構造/および非構造格子系を用いる二次元および三次元数値解析法、また、コンピューター援用画像解析法の開発などをほぼ完成させ、実験結果との対比を容易にしている。これらの結果を、衝撃波医療、地球物理、火山噴火機序の解明など学際研究に展開して成果を挙げている。
研究計画に記述した各項目について:I 複雑媒体中の衝撃波の解明
(1)衝撃波の基礎
くさびを過ぎる衝撃波の反射、特に粘性効果による反射衝撃波選移遅れを初めて明らかにしている。また、渦と衝撃波の干渉過程を解明した。縦型衝撃波管に球を吊るし、衝撃波負荷での球の非定常抗力の計測に成功し、負の抗力の発生を初めて明らかにしている。弱い衝撃波の発生技術、衝撃波負荷した円筒周りの非定常熱伝達計測法、粉塵気体衝撃波管技術を確立している。これらの波動解析の成果を背景に。膨張波を利用する冷凍機を開発し、温度低下を実現し、さらに諸元を最適化し温度低下40度を目指す予定である。
(2)衝撃波の挙動
非一様媒体中の衝撃波の挙動、特に、気中および水中微小爆発の精密計測法を確立し、衝撃波の発生と伝播機構を解明している。セル構造物体中の衝撃波伝播、金属中を伝播する衝撃波、6km/sを超える高速飛行体が金属壁に衝突するとき発生するデブリ雲の構造と発生を明らかにしている。また、水中を高速で移動する飛行体の挙動とその周りに現れるスーパーキャビテーション発生、水中および極低温液体中にレーザー光を照射して発生する衝撃波と気泡の挙動を詳細に解明している。
(3)高粘度媒体中の衝撃波
火山噴火に現れるマグマの微細化を模擬するために高粘度水飴中での微小爆発実験法を確立し、衝撃波伝播と爆発生成気体、水飴の粘弾性体としての亀裂伝播の様相を初めて明らかにしている。粘弾性体に高速飛行体を打ち込む実験研究の準備を完了させ、粘弾性体に衝撃波と膨張波を時間制御して作動させる実験装置を完成している。
(4)高速飛行における衝撃波
自由ピストン衝撃波風洞で、極超音速流れ中においた二重くさびおよび二重円錐周りの流れを初めて高速映画撮影し、衝撃波と境界層の非定常干渉を初めて詳細に明らかにしている。
II 実験、計測と数値シミュレーション
(1)装置、計測法の開発
大型縦型衝撃波管の実験技術および粉塵衝撃波管での粉塵濃度測定と粉塵回流法を確立している。無隔膜衝撃波管で円筒周りの熱伝達測定に初めて成功し、また、衝撃波および爆風を負荷した球および各種形状物体の非定常抗力測定に初めて成功している。水中温度を非接触的に計測する技術、ホログラフィー法をより精緻化し、衝撃波計測への活用する途を確立している。
(2)数値解析
様々の衝撃波の数値解析法を確立し、二次元粉塵衝撃波伝播に現れる条件設定の不備を改め、実験と対比できる結果を導いている。隕石衝突、火山の爆発的噴火における衝撃波の挙動を模擬する数値解法および計算機援用画像処理法を確立している。
III 学際応用
(1)地球物理、火山学
小惑星衝突に伴う生物大絶滅に及ぼした水中衝撃波の寄与を数値模擬により明らかにし、古生物学、堆積学、地球物理学者との連携で、アナログ実験が進行中である。また、火山噴火の素過程に及ぼす衝撃波の寄与を明らかにするためのアナログ実験が進行中である。
(2)医療
衝撃波援用の脳血栓血行再建術の基礎研究はほぼ完成し、臨床治療を目指す動物実験が進行中である。また、マイクロ水ジェットメスの開発が進み、臨床装置として実用の直前である。レーザーアブレージョンを用いる薬剤導入、遺伝子導入法の開発では、直径1ミクロンの微小金属粒子を細胞の比較的深部まで導入できることが確認されて、実証実験が進行中であり、臨床治療応用での成果が大いに期待できる。

Research Products

• [Publications] M.Sun, K.Takayama: "Vorticity production in shock diffraciton"Journal of Fluid Mechanics. 476. 237-256 (2003)
• [Publications] T.Hirano, H.Uenohara, M.Komatsu, A.Nakagawa, M.Satoh, H.Ohyama, K.Takayama, T.Yoshimoto: "Holmium : YAG lazer-induced liquid jet dissector : A novel prototype device for dissecting organs without impairing vessels"Minimally invasive neurosurgery. 46. 121-125 (2003)
• [Publications] Jagadeesh.G, Hashimoto.T, Naitou.K, Sun.M, Takayama.K: "Visualization of unsteady shock oscillations in the high-enthalpy flow around double cones"Journal of Visualization. 6. 195-203 (2003)
• [Publications] M.Sun, K.Yada, G.Jagadeesh, O.Onodera, T.Ogawa, K.Takayama: "A study of shock wave interaction with a rotating cylinder"Shock Waves. 12. 479-485 (2003)
• [Publications] T.Hirano, A.Nakagawa, H.Uenohara, H.Ohyama, H.Jokura, K.Takayama, R.Shirane: "Pulsed liquid jet dissector using holmium : YAG laser-a novel neurosurgical divice for brain incision without impairing vessels"Acta Neurochir. 145. 401-406 (2003)
• [Publications] T.Hassan, E.V.Timofeev, M.Ezura, T.Saito, A.Takahashi, K.Takayama, T.Yoshimoto: "Hemodynamic analysis of an adult vein of galen aneurysm malformation of use of 3D image-based computational fluid dynamics"AJNR am Journal Neuroradiol. 24. 1075-1082 (2003)
• [Publications] A.Sasoh, M.Kister, N.Urabe, K.Takayama: "Laser-powered launch in tube"Transaction of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences. 46. 52-54 (2003)
• [Publications] A.Nakagawa, Y.Kusaka, T.Hirano, T.Saito, R.Shirane, K.Takayama, T.Yoshimoto: "Application of shock wave as a treatment modality in the vicinity of the brain and skull"Journal of Neurosurgery. 99. 156-162 (2003)
• [Publications] M.Sun, K.Takayama: "A note on numerical simulation of vortical structures in shock diffraciton"Shock Waves. 13. 25-32 (2003)
• [Publications] M.Sun, K.Takayama: "An artificially upstream flux vector splitting scheme for the Eluler equations"Journal of Computational Physics. 189. 305-329 (2003)
• [Publications] D.Igra, K.Takayama: "Experimental investigation of two cylindrical water columns subjected to planar shock wave loading"Journal of Fluids Engineering. 125. 325-331 (2003)
• [Publications] 荒谷眞一, 西瑞樹, 小島英則, 高山和喜: "衝撃波負荷によるガラス板の爆風強度試験"Journal of the Ceramic Society of Japan. 9. 669-673 (2003)
• [Publications] A.Nakagawa, T.Hirano, H.Uenohara, M.Sato, Y.Kusaka, R.Shirane, K.Takayama, T.Yoshimoto: "Intraoperative thermal artery imaging of an EC-IC bypass in beagles with infrared camera with detectable wave-length band of 7-14 um : possibilities as novel blood flow monitoring system"Minim Invas Neurosurgery. 46. 231-234 (2003)
• [Publications] Bazylev N., Fomin N., Hirano T., Lavinskaya E., Mizukaki T., Nakagawa A., Rubnikovich S., Takayama K.: "Qiasi-real time bio-tissues monitoring using dynamic laser speckle photography"Journal of Visualization. 6. 371-380 (2003)
• [Publications] 高山和喜: "高速ビデオ撮影を用いた衝撃波現象の計測"可視化情報. 23. 15-20 (2003)
• [Publications] H.Tanno, K.Itoh, T.Saito, A.Abe, K.Takayama: "Interaction of a shock with a sphere suspended in a virtical shock tube"Shock Waves. 13.3. 191-200 (2003)
• [Publications] H.Tanno, T.Komuro, M.Takahashi, K.Takayama, H.Ojima, S.Onaya: "Unsteady force measurement technique in shock tubes"Review of Scientific Instruments. 75.2. 532-536 (2004)
• [Publications] K.Takayama, T.Saito: "Shock Wave/Geophysical and medical applications"Annual Review of Fluid Mechanics. 36. 347-379 (2004)
• [Publications] T.Saito, V.Menezes, T.Kuribayashi, M.Sun, G.Jagadeesh, K.Takayama: "Unsteady convective surface heat flux measurements on cylinder for CFD code validation"Shock Waves. 13.5. 327-337 (2004)
• [Publications] R.C.Srivastava, D.Leutloff, K.Takayama, H.Groenig: "Shock Focussing Effect in Medical Science and Sonoluminescence"Springer-Verlag. 226 (2003)